Страница 17 из 57
те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света, что подтвердило гипотезу Максвелла. Следует отметить роль великого русского ученого М. В. Ломоносова в разработке представления о световых волнах.
«В противовес Ньютону, Ломоносов вместе с Эйлером отстаивал гипотезу о волновой природе света. Эти работы привлекли к себе внимание Т. Юнга, считавшего явления интерференции прямым доказательством волновой природы света. В библиографии, помещенной Юнгом во втором томе его монографии «A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts » (1807)
, речь Ломоносова «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее», Петербург, 1759, стоит первой в разделе «Физическая оптика» [70]. После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый вид материи. Эта проблема увлекла и русских ученых.
Наиболее существенные исследования в этой области были выполнены профессором Московского университета П. Н. Лебедевым. Мировую известность Лебедев приобрел своим открытием светового давления (рис. 2). Стремление к практическому приложению достижений физики привело профессора Электротехнического института в Петербурге А. С. Попова к изобретению радиосвязи.
Изучение как оптических, так и электромагнитных явлений привело к развитию представлений о формах существования материи. Разрабатывая оптику, И. Ньютон считал свет потоком материальных частиц-корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И.
Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света. Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе волновой теории, сформулированной X . Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе.
В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, — светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому.
Главным аргументом в пользу своей теории X . Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде. Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных частиц, каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X .
Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света. Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой, обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это возражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди.
При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X . Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И.
Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно даже несмотря на то, что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции. Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в. английским физиком Т. Юнгом и французским естествоиспытателем О. Ж. Френелем. Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т. е.
появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды или волновое движение.
При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы. Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света. Итак, к концу XIX в.
физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Основы представлений о материи, существующей в форме вещества и поля можно свести к следующим положениям. Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно. Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.
Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо. Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков. В результате открытий в физике в конце XIX и начале XX столетий обнаружилось, что нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.
Расширение представлений об элементах материальных систем Расширение представлений об элементах материальных систем связано с проникновением вглубь материи и неразрывно с развитием атомно-молекулярной теории строения вещества. Можно выделить 3 этапа в развитии атомно-молекулярной теории. Первый из них связан с представлениями древних греков и, в частности Демокрита, о мельчайших неделимых частицах вещества (
это достаточно подробно обсуждалось при рассмотрении истории естествознания). Вторым этапом развития теории является экспериментальное подтверждение атомной теории Бойлем. Третьим важным шагом является открытие возможности соединения атомов в молекулы. Первый эксперимент, подтверждающий атомную природу вещества, был проведен в 1662 году ирландским химиком Робертом Бойлем (1627-1691).
Он сжимал воздух в U -образной трубке под действием столбика ртути и обнаружил, что объем воздуха в трубке обратно пропорционален давлению: PV = const . Французский физик Эдм Мариотт (1630-1684) подтвердил это соотношение через 14 лет после Бойля и заметил, что оно выполняется только при постоянной температуре. Объяснить результаты Бойля и Мариотта можно, только если признать, что воздух состоит из атомов, разделенных пустым пространством.
Сжатие воздуха обусловлено сближением атомов и уменьшением объема пустого пространства. Если газы состоят из атомов, то можно допустить, что твердые вещества и жидкости тоже состоят из атомов. Например, вода при нагревании кипит и превращается в пар, который, подобно воздуху, можно сжать. Значит, водяной пар состоит из атомов. Но если пар состоит из атомов, то почему жидкая вода и лед не могут состоять из атомов?
А если это справедливо для воды, то это может быть справедливо и для других веществ. Таким образом, эксперименты Бойля и Мариотта подтвердили существование мельчайших частиц вещества. Оставалось выяснить, что из себя представляют эти частицы. В течение последующих 150 лет основные усилия химиков были направлены на установление состава различных веществ.
Вещества, которые разлагались на более простые вещества, были названы «соединениями» (сложными веществами), — например, вода, углекислый газ, железная окалина. Вещества, которые нельзя далее разложить, назывались «элементами» (простыми веществами), например, водород, кислород, медь, золото. В 1789 году великий французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743-1794)
опубликовал знаменитую книгу «Элементарный курс химии» («Traite elementaire de chimie »), в которой систематизировал накопленные к тому времени знания по химии по 33 веществам. Два из этих веществ были неверными в принципе (свет и теплород), а 8 оказались впоследствии сложными веществами (известь, кремнезем и др.). Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношение элементов в соединениях. Французский химик Жозеф Луи Пруст (1754—1826)