Основні концепції фізики ХХ століття

Революція у фізиці

Фізика XIX століття представляла собою засновану на механіці Ньютона систему знань, яка творцям цієї системи представлялася майже завершеною. Революція у фізиці вже на самому початку ХХ століття виявила обмеженість класичної механіки, чим поставила під сумнів істинність подібних уявлень. Класична фізика, виходячи з закладеного Декартом ідеалу, представляла Всесвіт у вигляді механічної системи, поведінка якої можна абсолютно точно передбачити, якщо відомі параметри, які визначають початковий стан цієї системи. Іншими словами, основні твердження класичної механіки мають цілком визначений та однозначний характер. Різного роду невизначеності і неоднозначності, що можуть мати місце при вимірюванні величин, пояснюються в її рамках неминучими похибками, складністю процедури вимірювання і т.п.

Подібна картина грунтувалася на припущеннях, які вважалися абсолютно очевидними. Перше полягало в тому, що ми живемо в жорсткому і визначеному світі, в якому будь-яке явище може бути строго локалізовано, і що весь розвиток фізичного світу є зміна положення тел в просторі з плином часу. Друге виходило з можливості зробити пренебрежимо малим обурення природного ходу досліджуваного процесу, що вноситься процедурою здійснення експерименту. Як виявилося, обидві пропозиції можуть бути справедливими лише для певних умов.

Відкриття кванта дії виявило протиріччя між концепцією суворої локалізації та концепцією динамічного розвитку. Кожна з цих концепцій, взята окремо від іншої, може бути успішно використана для досліджуваних явищ, але, будучи одночасно використаними, вони не дають точних результатів. Обидві вони - свого роду ідеалізація: перший - статистична, що виключає всякий рух і розвиток, друга - динамічна, що виключає поняття точного положення в просторі і моменту часу. У класичній механіці переміщення в просторі і визначення швидкості вивчаються поза залежно від того, яким чином фізично ці переміщення реалізуються. Від абстрактного вивчення законів руху можна переходити до динаміки. Стосовно до явищ мікросвіту подібна ситуація, як виявилося, неможлива принципово. Тут просторово-часова локалізація, що лежить в основі кінематики, можлива лише для деяких окремих випадків, які залежать від конкретних динамічних умов руху. У макромасштабах використання кінематики цілком припустимо. Для мікромасштабах, де головна роль належить квантів, кінематика, яка вивчає рух незалежно від динамічних умов, втрачає сенс.

Для масштабів мікросвіту і друге положення виявляється неспроможним - воно справедливо лише для явищ великого масштабу. Виявилося, що спроби виміряти будь-яку величину, що характеризує досліджувану систему, тягне за собою неконтрольоване зміну інших величин, які характеризують дану систему: якщо робиться спроба встановити положення в просторі та часі, то це призводить до неконтрольованого зміни відповідної сполученої величини, яка визначає динамічний стан системи. Так, неможливо точно виміряти в один і той же час дві взаємно пов'язані величини. Чим точніше визначається значення однієї величини, характеризує систему, тим більше невизначеним виявляється значення сполученої їй величини. Це обставина спричинила за собою істотне зміна поглядів на розуміння детермінізму, рівнів організації реальності.

Детермінізм класичної механіки виходив з того, що майбутнє у відомому сенсі повністю утримується в цьому - цим і визначається можливість точного передбачення поведінки системи в будь-який майбутній момент часу. Така можливість пропонує одночасне визначення взаємно сполучених величин. В області мікросвіту це виявилося неможливим, що і вносить істотні зміни у розуміння можливостей передбачення і взаємозв'язку явищ природи: раз значення величин, які характеризують стан системи в певний момент часу, можна встановити лише з часткою невизначеності, то виключається можливість точного передбачення значень цих величин в наступні моменти часу - можна лише передбачити ймовірність отримання тих чи інших величин. У цьому випадку зв'язок між результатами послідовних вимірів не буде відповідати вимогам класичного детермінізму. Тут можна говорити про ймовірнісної зв'язку, пов'язаної з невизначеністю, яка випливає з існування кванта дії.

Інша революційна ідея, яка спричинила за собою зміна класичної фізичної картини світу, стосується створення теорії поля. Класична механіка намагалася звести всі явища природи до сил, що діють між частинками речовини - на цьому грунтувалася концепція електричних рідин. В рамках цієї концепції реальними були лише субстанція та її зміни - тут найважливішим визнавалося опис дії двох електричних зарядів за допомогою належних до них понять. Опис ж поля між цими зарядами, а не самих зарядів було досить істотним для розуміння дії зарядів. Створеній нової реальності місця у механічній картині світу не було. У результаті фізика стала мати справу з двома реальностями - речовиною і полем. Якщо класична фізика будувалася на понятті речовини, то з виявленням нової реальності фізичну картину світу доводилося переглядати. Спроби пояснити електромагнітні явища з допомогою ефіру виявилося неспроможними. Ефір експериментально виявити не вдалося. Це призвело до створення теорії відносності, яка змусила переглянути уявлення про простір і часу, характерні для класичної фізики. Таким чином, дві концепції -- теорія квантів і теорія відносності - стали фундаментом для нових фізичних концепцій. Д. Бернал виділив три фази у розвитку наукової революції. Перша фаза охоплювала період з 1895 по 1916 рік. Для неї характерно дослідження нових світів, створення нових вистав, головним чином з допомогою технічних і теоретичних засобів науки ХХ століття. Це період в основному індивідуальних досягнень подружжя Кюрі, Резерфорда, Планка, Ейнштейна, Бора та ін Фізичні дослідження ведуться в університетських лабораторіях, вони слабо пов'язані з промисловістю, яка використовується апаратура дешева і проста.

Друга фаза (1919-1939 рр..) характеризується масовим впровадженням промислових методів і організованості у фізичні дослідження. Хоча в цей час фундаментальні дослідження ведуться головним чином у університетських лабораторіях, окремі великі вчені починають очолювати наукові групи, починають встановлювати зв'язки з великими промисловими дослідними лабораторіями. Зростає число вчених. Фізика розширює сферу своєї діяльності. Починається військове використання фізичних знань, починається встановлення зв'язку між керівниками фізичних досліджень з промисловими та державними організаціями у військових цілях.

Третя фаза характеризується ще більшим розширенням участі фізики у військових програмах. Фізичні дослідження вимагають дорогої апаратури, стають все більш дорогими, в їх організації все більшу роль відіграє держава.

Сучасний етап розвитку фізичних досліджень стає ще більш дорогим, що ставить питання про необхідність міжнародної кооперації у здійсненні найбільш великих проектів. Фізика стала основою природознавства. Поява і розвиток таких розділів фізики, як квантова механіка, квантова електродинаміка, загальна теорія відносності, теорія будови атомів, фізика атомного ядра і субатомних частинок, квантова фізика твердого тіла, квантова фізична теорія будови хімічних сполук призвело до створення нової фізичної картини світу, до перетворення фізики з науки, що вивчає і пояснює механізм явищ, у науку, розробляє методи штучного відтворення фізичних процесів, в основу сучасних технічних пристроїв, у лідера сучасного природознавства.

Теорія відносності

а) Криза класичних уявлень про простір і часу

Спочатку згадаємо, що концепція світла Френеля включала визнання існування ефіру, що заповнює весь простір і проникає під всі тіла, в якому поширювалися світлові хвилі. Концепція світла Максвелла поняття ефіру зробила не потрібне. Незважаючи на це, концепція ефіру не зійшла з арени фізики. Справа полягала в тому, що рівняння електродинаміки Максвелла були справедливими в одній системі координат і несправедливими в інший, що рухається прямолінійно і рівномірно щодо першого. Класична механіка, що виходила з визнання існування абсолютного часу, єдиного для всіх систем відліку і будь-яких спостерігачів, визнавала, що відстань між двома точками простору повинно мати одне значення в усіх системах координат, використовуються для визначення положення тіл в просторі (тобто дане відстань є інваріантом). Перетворення Галілея визначало перетворення координат при переході від однієї системи відліку до іншої. Інакше кажучи, якщо, наприклад, рівняння Ньютона були справедливими в системі координат, пов'язаної з нерухомими зірками, то вони виявлялися справедливими і в інших системах відліку, які рухались прямолінійно і рівномірно щодо даних нерухомих зірок. Таким чином, виходило, що рівняння Максвелла справедливі тільки в одній системі відліку, пов'язаної з якоюсь середовищем, що заповнює весь Всесвіт. Ось цю середу і продовжували вважати ефіром. Уся різниця з початковою трактуванням ефіру полягало в тому, що якщо раніше під ефіром розуміли особливу пружну середу, яка була здатна передавати світлові коливання, то тепер ефіру стала приділятися роль абстракції, необхідної для фіксації тих систем відліку, в яких справедливі рівняння Максвелла. Однак і дану роль ефір не міг грати.

Вивчення світлових явищ у рухомій системі координат передбачало визначення швидкості даної системи координат щодо ефіру. Проте нікому не вдавалося в експерименті виявити рух Землі відносно ефіру, що перебувало в суперечності з класичною теорією. Знаменитий експеримент Майкельсона-Морлі (1887 р.) всі сумніви, грунтуються на недосконалість що використовується при проведенні експерименту, повністю відкинув і дозволив остаточно відмовитися від концепції ефіру. Г. А. Лоренц спробував негативний результат експерименту Майкельсона-Морлі узгодити з існуючими теоріями, висловивши припущення про те, що тіла при своєму русі щодо ефіру скорочуються в розмірах цього руху. Такий підхід дозволяв зберегти концепцію ефіру: ефір існує, він нерухомий, рух тіла щодо ефіру виявити неможливо, оскільки в напрямку руху тіло змінює свої розміри. З рівнянь Лоренца випливало, що всі світлові явища будуть протікати однаково в різних системах координат, тому за цим явищам виявити абсолютне рух по відношенню до ефіру неможливо. У світлі цього негативний результат експерименту Майкельсона-Морлі здавалося, був цілком природним, а точна зв'язок спостерігачів, які рухаються рівномірно і прямолінійно один щодо одного, виражаючись не перетвореннями Галілея, а перетвореннями Лоренца. Розуміння причин заміни перетворень Галілея перетвореннями Лоренца і з'ясування фізичних наслідків цієї заміни зажадало перегляду понять простору і часу.

Згадаймо також, як розвивалися уявлення про просторі та часі. Для арістотельской фізики характерно уявлення про спокої як природному стані будь-якого тіла. Це означає, що в рух тіло може прийти тільки під дією сили або імпульсу. Наслідком такого подання був висновок про те, що важкі тіла повинні падати з більшою швидкістю, ніж легкі тому вони сильніше притягуються до Землі. У рамках цієї традиції закони, яким підкорялася Всесвіт, виводилися умоглядно і не перевірялися на досвіді.

Галілей, що заклав початок сучасних уявлень про закони руху тіл, перше поставив під сумнів уявлення арістотелівської фізики. Скочуючись по гладкому укосу кулі різної ваги, Галілей встановив, що швидкість збільшується незалежно від ваги тіла - на що котяться тіло завжди діє одна й та сама сила (вага тіла), внаслідок чого швидкість тіла зростала. Це означало, що прикладена до тіла сила не просто змушує це тіло рухатися (як вважали до Галілея), а змінює швидкість тіла. Ньютон на основі вироблених Галілеєм вимірювань вивів закони руху. Перший закон: всяке тіло перебуває в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху до тих пір, поки що діють на нього сили не змінять цей стан. Другий закон: добуток маси тіла на його прискорення одно діючої силі, а напрямок прискорення збігається з напрямком сили. Третій закон: дії завжди відповідає рівна та протилежно спрямовану дію (інакше: дії двох тіл один на одного завжди рівні за величиною і направлені до протилежні сторони). Крім цих законів відкритий Ньютоном закон всесвітнього тяжіння: всяке тіло притягує будь-яке інше тіло з силою, пропорційною масам цих тіл. Чим далі знаходяться тіла відносно один одного, тим менше сила взаємодії. Гравітаційна сила притягання зірки становить четверту частину сили тяжіння такої ж зірки, розташованої на вдвічі меншій відстані. Цей закон дозволяє з великою точністю обчислювати орбіти планет.

Якщо для Аристотеля стан спокою вважалося кращим (якщо на тіло не діє якась сила), то із законів Ньютона випливало, що єдиного еталона спокою немає. Це означає, що можна вважати А тіло рухається щодо покоїться тіла В і навпаки - вважати тіло У рухаються щодо покоїться тіла А. Звідси випливає, що неможливо визначити, чи мали місце дві події в одній точці простору, якщо вони сталися різні моменти часу. Інакше кажучи, ніякому події не можна приписати абсолютного положення в просторі (як вважав Арістотель). Це випливало з законів Ньютона. Але це суперечило ідеї абсолютного бога. Тому Ньютон не визнавав відсутність абсолютного простору, тобто того, що виходило з відкритих законів.

Загальним для Аристотеля і Ньютона було визнання абсолютного часу - обидва вважали, що час між двома подіями можна виміряти однозначно і що результат не залежить від того, хто здійснює вимірювання, лише б були в наявності у вимірювального правильні годинник. Час вважалося повністю відокремленим від простору і не залежать від нього.

У 1676 р., за одинадцять років до виходу "Математичних почав натуральної філософії" Ньютона, датська астроном О. Х. Ремер встановив, що світло поширюється з кінцевою, хоча і дуже великою швидкістю. Але лише Д. К. Максвеллу - творцю класичної електродинаміки - вдалося об'єднати два приватні теорії, описували електричні та магнітні сили. Згідно сформульованим Максвелом рівнянь, що описує електромагнітні явища в довільних середовищах і в вакуумі, в електромагнітному полі можуть існувати поширюються з постійною швидкістю хвилі (радіохвилі з довжиною метр і більше, хвилі надвисокочастотного діапазону з довжиною близько сантиметра, хвилі інфрачервоного діапазону з довжиною до десяти тисячних сантиметри, хвилі видимого сектора з довжиною сорок - вісімдесят мільйонних часток сантиметра, хвилі ультрафіолетового, рентгенівського і гамма-випромінювання з довжиною хвилі ще більше короткою.

З теорії Максвелла випливало, що радіохвилі і світло мають фіксовану швидкість розповсюдження. Але оскільки після появи теорії Ньютона уявлення про абсолютний спокій пішли в минуле, виникло питання: щодо чого вимірювати швидкість. Для цього було введено поняття ефіру - особливої субстанції, що заповнюють простір. Стали вважати, що світлові хвилі поширюються в ефірі (як звукові в повітрі), а швидкість розповсюдження визначається щодо ефіру. Спостерігачі, що рухаються щодо ефіру з різними швидкостями, повинні були бачитиь, що світло до них йде з різною швидкістю, але швидкість світла щодо ефіру повинна залишатися незмінною. Це означало, що при русі Землі в ефірі по своїй орбіті навколо Сонця швидкість світла в напрямку руху у бік джерела світла повинна бути вище за порівнянні зі швидкістю світла за умови відсутності руху до джерела світла. Однак досвід, поставлений А. Майкельсона і Е. Морлі в 1887 р., в якому вони порівнювали швидкість світла, обмірювану в напрямку руху Землі, зі швидкістю, обмірюваної в перпендикулярному цього напрямку руху, показав, що обидві швидкості однакові. Датський фізик Х. Лоренц результат експерименту Майкельсона-Морлі пояснював тим, що всі рухомі в ефірі об'єкти скорочуються в розмірах, а годинники уповільнюють свій хід.

Наступний крок зробив А. Енштейн створенням спеціальної теорії відносності, з якої випливало. що за умови відмови від поняття абсолютного часу немає ніякої потреби в ефірі. (Трохи пізніше аналогічну позицію висловив і А. Пуанкаре.)

б) Спеціальна теорія відносності

Спеціальна теорія відносності грунтувалася на постулаті відносності: закони науки повинні бути однаковими для всіх вільно рухаються спостерігачів незалежно від швидкості їх руху. Це означало, що швидкість світла для будь-яких спостерігачів, незалежно від їх швидкості руху повинна бути однаковою. Важливо відзначити два наслідки, що випливали з даного постулату. Перше - закон еквівалентності маси і енергії. Друге -- закон, за яким ніщо не може рухатися швидше за світло.

Із закону еквівалентності маси і енергії (Е = mc2, де Е -- енергія, m - маса, з - швидкість світла) випливає, що чим більше енергія, тим важче збільшити швидкість, причому даний ефект більше проявляється при швидкостях, близьких до швидкості світла. (Так, наприклад, при швидкості тіла, що становить 10% швидкості світла, маса даного тіла збільшується на 0,5%, тоді як при швидкості тіла, що дорівнює 90% від швидкості світла, його маса збільшується в 2 рази.) У міру наближення швидкості тіла до швидкості світла його маса збільшується все швидше. Для подальшого прискорення потрібно все більше енергії. Але швидкість тіла ніколи не може досягти швидкості світла, оскільки в цьому випадку маса тіла виявляється нескінченно великий, а тому для досягнення такої швидкості треба було б нескінченно велика енергія. Таким чином, принцип відносності дозволяє рухатися зі швидкістю світла лише тіл, що не володіє нульовою масою (масою спокою), і накладає заборону на досягнення швидкості світла всім тілам, що має нульовий масою.

Друге слідство з постулату відносності стосується зміни уявлень про простір і час. Якщо в теорії Ньютона час проходження світлового імпульсу, що послав з однієї точки в іншу і зміряне різними спостерігачами, буде однаковим (бо час абсолютно), а пройдений ним шлях може виявитися різними у різних спостерігачів (бо простір не абсолютно), а різні спостерігачі отримають різні швидкості світла (бо швидкість світла є пройдена світлом відстань, поділене на час), то в теорії відносності у кожного спостерігача повинен бути свій масштаб часу, що вимірюється за допомогою наявних у нього годин, причому показання однакових годин, наявних у різних спостерігачів, можуть не узгоджуватися. Виявляється, що в рамках теорії відносності немає потреби в поняттях абсолютного часу і ефіру, але зате відбувається зміна уявлень про простір і час - тепер вони не існують як щось не пов'язане друг з одним, а існує єдиний простір-час. Подія, як щось те, що відбувається в певний момент часу і в певній точці простору виявилося можливим характеризувати чотирма координатами.

Спеціальна теорія відносності пояснила сталість швидкості світла для всіх спостерігачів і дозволила описати, що відбувається при русі зі швидкостями, близькими до світлових. Але вона не узгоджувалася з ньютонівської теорією гравітації, відповідно до якої тіла притягуються одне до одного із силою, яка залежить від відстані між ними. Це передбачає нескінченну швидкість поширення гравітаційних ефектів, а не рівну або меншу, як це вимагає теорія відносності. Потрібно було створити модель гравітації, узгоджуються зі спеціальною теорією відносності. Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності висловив припущення про те, що гравітація є наслідком викривлення простору-часу, викликаного розподіленими в ньому масою і енергією. Викривлення простору-часу означає, що світло поширюється не прямолінійно, а викривляється в гравітаційних полях. У нормальних умовах ефект викривлення променя зафіксувати спостерігачеві важко, але це можна зробити під час сонячного затемнення, коли Місяць перекриває сонячне світло. Це пророкування теорії було підтверджено спостереженнями в західній Африці в 1919 р. англійської експедицією.

Інше пророкування загальної теорії відносності стосувалося того, що час поблизу масивних тіл має текти повільніше. Це пророкування було підтверджено в 1962 р. Виявилося, що годинник, розташовані ближче до поверхні землі, дійсно йшли повільніше розташованих вище. Крім загального інтересу даний результат має велике значення для навігаційних систем - ігнорування пророкувань загальної теорії відносності призводить до помилок при визначенні координат в кілька кілометрів.

Таким чином, теорія руху Ньютона відкинула уявлення про абсолютну просторі, а теорія відносності - про абсолютному часу. У загальній теорії відносності немає єдиного абсолютного часу. До створення загальної теорії відносності простір і час виступали як місце для подій, на яке все, що відбувається не впливає. У загальній теорії відносності простір і час змінюються під впливом процесів, що відбуваються і самі впливають на них. Виявилося, що говорити про просторі й часі поза межами Всесвіту безглуздо. Старі уявлення про вічну і майже не змінюється Всесвіту змінилися уявленнями про що змінюється Всесвіту, яка мала початок і можливо буде мати кінець.

Таким чином, до початку ХХ століття виявилася необхідність докорінного перегляду уявлень про простір і час. Експерименти свідчили, що принцип відносності Галілея (в відповідно до якого механічні явища протікають однаково у всіх інерційних системах відліку) може бути віднесений і до області електромагнітних явищ, а тому рівняння Максвелла не повинні змінювати свою форму при перехід від однієї інерціальній системи відліку до іншої, тобто повинні бути інваріантними. Але це виявилося можливим лише для випадків, коли перетворення координат і часу при такому переході відрізняються від перетворень Галілея, що використовуються в ньютонівської механіці. Лоренц висловив ці перетворення, але не зміг дати їм вірну інтерпретацію - вона виявилася можливою в рамках спеціальної теорії відносності, що виявила обмеженість механічної картини світу. Всі спроби звести електромагнітні процеси до механічним процесам в ефірі виявили свою неспроможність, наслідком чого і був висновок про те, що поведінка форми матерії у вигляді електромагнітного поля не вкладаються в рамки законів механіки.

в) Загальна теорія відносності

Спеціальна теорія відносності має справу з інерційних системах координат, принцип відносності розглядається стосовно до прямолінійного і рівномірного руху. Що ж стосується непрямолінійність або прискореного руху, то принцип відносності в його колишньої формулюванні тут виявляється несправедливим, бо в рухомій прискореної системі координат механічні, оптичні і електромагнітні явища протікають не так, як в інерційних системах відліку. Правильне опис цих фізичних явищ, що враховує вплив на них прискорення, виявилося можливим на основі використання криволінійних координат в чотиривимірному просторі (чотиривимірному просторово-часовому континуумі Маньківського). Ейнштейн припустив, що особливість сил тяжіння полягає в те, що вони завжди пропорційні масі тіла, на яке вони діють. Звідси випливало, що всі тіла при одних і тих же початкових умовах рухаються в полі тяжіння незалежно від маси або заряду, тобто їх траєкторія руху не залежить від властивостей рухомого тіла, а визначається властивостями поля тяжіння. Це дозволяє вплив поля тяжіння, що діє в певній частині простору, враховувати шляхом введення локальної кривизни чотиривимірного простору. У спеціальній теорії відносності чотиривимірний просторово-часовий континуум є евклідовим (плоским). Можна припустити, що чотиривимірний простір може бути і неевклідової, тобто володіти змінної кривизною. У цьому випадку визначення тіла в просторі можливо лише за допомогою криволінійної системи координат. Таким чином, під дією сил тяжіння тіла змінюють свої розміри і час тече в залежності від величини цих сил, тобто полі тяжіння змінює властивості простору і часу. Електромагнітне поле існує в просторі й часі, а гравітаційне поле висловлює геометрію простору і часу. Відповідно до загальною теорією відносності геометрія Евкліда застосовується лише до порожніх просторів, де немає важких тел. Поблизу же важких тел простір изогнут.

Загальна теорія відносності - загальна фізична теорія простору, часу і тяжіння - стала новим етапом у розвитку теорії тяжіння. Ейнштейн характеризував відмінність нової теорії тяжіння від старої наступним чином:

1. Гравітаційні рівняння загальної теорії відносності можуть бути застосовані до будь-якій системі координат. Вибрати яку-небудь особливу систему координат у спеціальному випадку - справа лише зручності. Теоретично допустимі всі системи координат. Ігноруючи тяжіння, ми автоматично повертаємося до інерційній системі спеціальної теорії відносності.

2. Ньютоном закон тяжіння пов'язує рух тіла тут і тепер з дією іншого тіла в той же самий час на далекому відстані. Цей закон став зразком для всього механічного світогляду. Але механічне світогляд зазнало краху. У рівняннях Максвелла ми створили новий зразок для законів природи. Рівняння Максвелла суть структурні закони. Вони пов'язують події, які відбуваються тепер і тут, з подіями, які відбуваються трохи пізніше і в безпосередньому сусідстві. Вони суть закони, описують електромагнітне поле. Наші нові гравітаційні рівняння суть також структурні закони, що описують зміна поля тяжіння. Схематично ми можемо сказати, що перехід від ньютонівського закону тяжіння до загальної теорії відносності до деякої міри аналогічний переходу від теорії електричних рідин і закону Кулона до теорії Максвелла.

3. Наш світ неевклідов. Геометрична природа його утворена масами і їх швидкостями. Гравітаційні рівняння загальної теорії відносності прагнуть розкрити геометричні властивості нашого світу. "[1]

Отже, механічна картина світу виявилася неспроможною в силу того, що було неможливо пояснити всі явища, виходячи з припущення про дію між незмінними частками простих сил. Спроби переходу від механічних уявлень до поняття поля були успішними в області електромагнітних явищ. Структурні закони, сформульовані для електромагнітного поля, зв'язали події, суміжні в просторі й часі. Це були закони спеціальної теорії відносності. Загальна теорія відносності сформулювала структурні закони, що описують поле тяжіння між матеріальними тілами, вона звернула увагу на ту роль, яку відіграє геометрія в описі фізичної реальності.

В даний час спеціальна теорія відносності підтверджена експериментально. Так. наприклад, передбачене цією теорією збільшення маси електронів при наближенні їх до швидкості світла підтвердилося неодноразово. Формула Ейнштейна також доведена експериментами в ядерної фізики. Що ж до загальної теорії відносності, то настільки ж стверджувальні експериментальні докази її істинності відсутні. Багато фізики поки що не вважають досить ствердною факти, наведені в її користь: мале вікове зсув перигелію Меркурія, слабке відхилення що проходять поблизу Сонця світлових променів інтерпретуються по-різному. Більше переконливим є аргумент, пов'язаний з вимірюванням червоного зсуву спектральних ліній, які випромінюються супутником Сіріуса. Однак єдиний аргумент не є доказом достовірності. Дана теорія не є закінченою. Існують різні точки зору на розуміння сутності загальної теорії відносності, відмінні від ейнштейнівської. Разом з тим ця теорія є одним з найвидатніших теоретичних побудов, що демонструють внутрішню логічну стійкість і вносять у фізику безліч різноманітних ідей.

Завершуючи даний розділ, важливо зафіксувати ще раз наступний факт. Існують речовина і поле як різні фізичні реальності. Спроби фізиків XIX століття побудувати фізику на основі тільки поняття речовини виявилися неспроможними. Побудувати фізику на основі лише поняття поля поки не вдалося. Так що у всіх теоретичних побудовах доводиться визнавати обидві реальності. Але у зв'язку з цим постає проблема взаємодії елементарних часток з полем. Спроби вирішення цієї проблеми призводять до квантової фізики.

Квантова теорія

а) Передумови квантової теорії

Наприкінці XIX століття виявилася неспроможність спроб створити теорію випромінювання чорного тіла на основі законів класичної фізики. З законів класичної фізики випливало, що речовина повинна випромінювати електромагнітні хвилі при будь-якій температурі, втрачати енергію і знижувати температуру до абсолютного нуля. Іншими словами. теплова рівновага між речовиною і випромінюванням було неможливо. Але це перебувало в суперечності з повсякденним досвідом.

Більш детально це можна пояснити наступним чином. Існує поняття абсолютно чорного тіла - тіла, що поглинає електромагнітне випромінювання будь-якої довжини хвилі. Спектр його випромінювання визначається його температурою. У природі абсолютно чорних тіл немає. Найбільш точно абсолютно чорного тіла відповідає замкнуте непрозоре порожнисте тіло з отвором. Будь-який шматок речовини при нагріванні світиться і при подальшому підвищенні температури спочатку стає червоним, а потім - білим. Колір від речовини майже не залежить, для абсолютно чорного тіла він визначається виключно його температурою. Уявімо таку замкнуту порожнину, яка підтримується при постійній температурі і яка містить матеріальні тіла, здатні випускати і поглинати випромінювання. Якщо температура цих тіл в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, то з часом система (порожнина плюс тіла) буде прагнути до термодинамічної рівноваги, що характеризується рівновагою між поглинається і вимірюється в одиницю часу енергією. Г. Кирхгоф встановив, що цей стан рівноваги характеризується певним спектральним розподілом щільності енергії випромінювання, укладеного в порожнині, а також те, що функція, що визначає спектральний розподіл (функція Кірхгофа), залежить від температури порожнини і не залежить ні від розмірів порожнини або її форм, ні від властивостей поміщених в неї матеріальних тел. Так як функція Кірхгофа універсальна, тобто однакова для будь-якого чорного тіла, то виникло припущення, що її вид визначається якимись положеннями термодинаміки і електродинаміки. Однак спроби такого роду виявилися неспроможними. З закону Д. Релея випливало, що спектральна щільність енергії випромінювання повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, але експеримент свідчив про іншому: спочатку спектральна щільність зі збільшенням частоти зростала, а потім падала. Рішення проблеми випромінювання чорного тіла вимагало принципово нового підходу. Він був знайдений М. Планком.

Планк в 1900 р. сформулював постулат, згідно з якому речовина може випромінювати енергію випромінювання тільки кінцевими порціями, пропорційними частоті має також вантажопасажирську версіюпро випромінювання (див. розділ "Виникнення атомної та ядерної фізики "). Ця концепція призвела до зміни традиційних положень, що лежать в основі класичної фізики. Існування дискретності дії вказувало на взаємозв'язок між локалізацією об'єкта в просторі і часу і його динамічним станом. Л. де Бройль підкреслював, що "з точки зору класичної фізики цей зв'язок представляється абсолютно незрозумілою і набагато більш незрозумілою за наслідками, до яких вона призводить, ніж зв'язок між просторовими змінними і часом, встановлена теорією відносності. "[2] Квантової концепції в розвитку фізики було призначено зіграти величезну роль.

Наступним кроком у розвитку квантової концепції було розширення А. Ейнштейном гіпотези Планка, що дозволило йому пояснити закономірності фотоефекту, що не укладаються в рамки класичної теорії. Сутність фотоефекту полягає в випусканні речовиною швидких електронів під дією електромагнітного випромінювання. Енергія що випускаються електронів при цьому від інтенсивності що поглинається випромінювання не залежить і визначається його частотою і властивостями даної речовини, але від інтенсивності випромінювання залежить число випускаються електронів. Дати пояснення механізму звільняються електронів не вдавалося, оскільки відповідно до хвильової теорією світлова хвиля, падаючи на електрон, безперервно передає йому енергію, причому її кількість в одиницю часу має бути пропорційно інтенсивності хвилі, що падає на нього. Ейнштейн в 1905 році висловив припущення про те, що фотоефект свідчить про дискретно будову світу, тобто про те, що випромінює електромагнітна енергія поширюється і поглинається подібно частці (названої потім фотоном). Інтенсивність падаючого світла при цьому визначається числом світлових квантів, що падають на один квадратний сантиметр освітлюваної площини в секунду. Звідси число фотонів, які випускаються одиницею поверхні в одиницю часу. повинно бути пропорційно інтенсивності освітлення. Багаторазові досліди підтвердили це пояснення Ейнштейна, причому не тільки зі світлом, але і з рентгенівськими і гама-променями. Ефект А. Комптона, виявлений в 1923 році, дав нові докази існування фотонів - було виявлено пружне розсіяння електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського і гамма-випромінювання) на вільних електронах, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі. Відповідно до класичної теорії, при такому розсіянні довжина хвилі не повинна змінюватися. Ефект Комптона підтвердив правильність квантових уявлень про електромагнітне випромінювання як про потік фотонів - він може розглядатися як пружне зіткнення фотона і електрона, при якому фотон передає електрону частину своєї енергії, а тому його частота зменшується, а довжина хвилі збільшується.

З'явилися й інші підтвердження фотонній концепції. Особливо плідною виявилася теорія атома Н. Бора (1913 р.), яка виявила зв'язок будови матерії з існуванням кван