В течение XIXв. к первичным сведениям относительно статического электричества, накопленным со времен Гилберта, Ломоносова и Кулона, добавился ряд разделов научного и технического знания, выросших на основе понятия электрического тока. Английский физик М. Фарадей (1791-1867) показал взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, а также между светом и магнетизмом (на примере вращения скорости поляризации света в магнитном поле). Он ввел в 1852 г. и самое понятие поля, в том числе электромагнитного, и усовершенствовал существовавшую и ранее, но не всеми признаваемую теорию волновой природы света, высказав идею об электромагнитной природе света. Эта идея хорошо согласовалась с волновой концепцией света О.Ж. Френеля - Т. Юнга, но противоречила более традиционной корпускулярной концепции света как потока частиц (И. Ньютон). Волновая концепция, хорошо объяснявшая дифракцию и интерференцию, а также электромагнитная концепция света Фарадея послужили для другого английского физика, Дж.К. Максвелла (1831-1879), стимулом к созданию в 1860-1865 гг. теории электромагнитного поля, которая придала завершенный характер классической физике: область электрических явлений благодаря этой теории стала частью предмета физики и оказалось вписанной в механистическую картину мира в таком же смысле, как ранее это можно было сказать о собственно механических явлениях. Свою теорию электромагнитного поля Максвелл сформулировал в виде системы дифференциальных уравнений; убедительно подтвердил то, что у Фарадея оставалось догадкой - что свет есть один из видов электромагнитного излучения; вычислил, что таковое должно распространяться в пустоте со скоростью света. Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было дано в 1888 г. немецким физиком Г.Р. Герцем (1857-1894), наблюдавшим их интерференцию, поляризацию, преломление и т.д. Отметим, что в том же году (1888) опыты Герца повторил А.С. Попов (1859-1906) и затем высказал идею о возможности их использования для передачи сигналов на расстоянии - мысль, легшая в основу изобретенного им же в 1895 г. радиоприемника и его же открытия эффекта радиолокации (1897).
Математически углубив электродинамику, Герц придал ей форму, полностью демонстрировавшую симметрию между электрическими и магнитными явлениями (“электродинамика Максвелла - Герца”).
Синтезу классического естествознания способствовала точка зрения Максвелла на электрическую и на любой вид энергии как на эквивалент механической. Объединению теории электрического поля с ньютоновской механикой содействовало также признание Максвеллом существования эфира - абсолютно однородной среды, заполняющей все мировое пространство и служащей субстратом для распространения электромагнитных волн всех диапазонов. Гипотеза эфира впоследствии оказалась ложной, но на данном этапе только с ее помощью можно было обойтись без концепции дальнодействия. Теория электромагнитного поля, разработанная Максвеллом и ставшая затем общепризнанной, в конечном счете не нуждалась в допущении эфира.
Управления Максвелла, позволившие определять основные параметры электромагнитного поля в зависимости от пространственного распространения зарядов и токов, легли в основу классической электродинамики. Однако они оказали неприложимыми к электромагнитным волнам малой длины и большой частоты: для этого случая оказалось необходимым разработать иные закономерности, относящиеся уже к области квантовой электродинамики.
Квантовая электродинамика возникла в рамках квантовой теории поля и до настоящего времени остается наиболее разработанной частью этой теории, основе которой лежит тезис, что поле (в частности электромагнитное) обладает не только непрерывными свойствами, как это предполагалось классической максвелловской электродинамикой, но и прерывными (дискретными) свойствами. Носителями последних являются кванты поля, точнее, соответствующих ему излучений. В случае света и других электромагнитных излучений эти кванты называются фотонами.
Начало XXстолетия совпало с началом квантовой механики - теории, ставящей целью объяснить свойства и движение элементарных микрочастиц - дискретных частиц чрезвычайно малой (вплоть до нулевой) массы, к которым относятся как элементарные частицы, так и более сложные объекты микромира, например, атомные ядра и атомы в целом. Первыми экспериментальными предвестниками нового подхода были открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также первой из ставших известными элементарных частиц - электрона. Все эти события произошли в 1895-1897 гг. Однако непосредственно начало квантовой механике положила лишь в 1900 г. работа немецкого физика Планка (1856-1947). В 1900 г. он выдвинул предположение, что атом изучает световую или вообще электромагнитную энергию лишь определенными порциями - квантами.
Гипотеза Планка на новом уровне возродила корпускулярную теорию светаПредпосылками квантовой концепции Планка-Эйнштейна было открытие фотоэффекта Герцем в 1887 г., электрона Дж. Дж. Томсоном в 1898 г. и объяснение фотоэффекта как испускания электронов Ф. Ленардом в 1899 г. На этом примере видна тесная преемственность классического естествознания с современным, постклассическим: переход от первого ко второму в ряде случаев совершается с такой непрерывностью, что граница не всегда сразу видна. В данном случае ее образуют публикации Планка и Эйнштейна 1900-1905 гг., знаменовавшие переход к новому, квантовому образу мышления.
Исходя их этого образа мышления, датский физик Н. Х.Д. Бор (1885-1962) усовершенствовал созданную в 1911 г.Э. Резерфордом (1871-1937) планетарную модель атома, согласно которой почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Однако по законам классической механики такая система не могла быть устойчивой: все электроны давно должны были упасть на ядра. Согласно внесенному в 1913 г. Бором уточнению, электроны, вращаясь вокруг ядра атома по орбитам стационарным орбитам, не излучают энергии, но переходя с одной из своих “допустимых" орбит на другую, излучают в каждом случае квант энергии. Позже Бором была разработана “копенгагенская интерпретация" квантовой механики, исходящая из того, что о самом существовании микрочастиц, тем более об их свойствах и движениях, можно судить только в контексте наблюдения.
Квантовая механика совершенно по-новому осветила микромир и его закономерности, о которых ранее имелись лишь смутные догадки. Эйнштейн в 1905 г., развивая идею Планка о квантованности электромагнитного излучения, предположил, что это излучение и в том числе видимый свет не только испускается порциями, но и вообще состоит из таковых, т.е. из квантов света (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте световых волн. Фотон может превращаться в электрон и позитрон - под последним имеется в виду положительно заряженный “двойник” электрона. Позитрон был открыт сначала теоретически, затем уже экспериментально, в космических лучах, и это открытие вызвало к жизни идею, что и у других элементарных частиц есть двойники-античастицы; каждая частица при становлении со своей античастицей аннигилирует. Помимо позитронов, были затем обнаружены антипротоны, антинейтроны и многие другие античастицы. Массы и спины частиц и соответствующих им античастиц равны, что же касается электрических зарядов и магнитных моментов, то и те и другие у частиц и их античастиц равны по величине и противоположны по знаку. Однако нет точных данных, насколько античастицы распространены во Вселенной: нет ли, в частности, таких крупных областей, которые были бы заполнены состоящим из одних античастиц “антивеществом” (проблема антимиров).
Сейчас известно уже довольно много видов элементарных частиц. Многое в классификации элементарных частиц остается пока гипотетическим и условным; например, не дали еще общезначимых результатов поиска гравитона - частицы, соответствующей гравитационному полю, как фотоны соответствуют электромагнитному.
В основе квантовой механики лежит парадоксальное с точки зрения классической (неквантовой) физики положение о том, что в поведении микрочастиц проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. Это положение не является чисто теоретическим тезисом с целью построить законченную картину мира, но получило прежде всего экспериментальным путем. Показано, например, что пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, объясняемую только при волновой трактовке электронов, в то время как в других случаях они ведут себя явно как частицы.
Концепция Планка - Эйнштейна основывалась на том, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Но это противоречило важной предпосылке самой этой концепции, идее Максвелла о свете как электромагнитных волнах. Эйнштейн предположил, что противоречие это является реальным: свет является в одно и то же время и волнами и потоком частиц. Например, при соударении с металлами фотоны, действуя как частицы, выбирают (при определенной частоте света и следователь, энергии фотонов) из металла электроны; в других случаях, например, при интерференции и дифракции, свет ведет себя как волна. В 1924 г.Л. де Бройль распространил этот корпускулярно-волновой дуализм, т.е. концепцию двоякой (корпускулярной и волновой) природы одного и того же объекта, на вещество, предположив, что вообще поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, однозначно соответствующими массе и энергии частиц. При всей непривычности для сознания физики того времени идеи тождества на микроуровне таких разных объектов, как частица и волна, принятие корпускулярно-волнового дуализма в конечном счете оказалось единственным разумным выходом из противоречия между в равной мере обоснованными волновой и корпускулярной природой света. Обобщение дуализма на всю материю явилось одним из первых и наиболее резких признаков совершившегося перехода к неклассическому мышлению в естествознании. Уже в 20-е годы гипотеза де Бройля получила широкое признание, в том числе и тот ее момент, что количественное соотношение между волновыми и корпускулярными свойствами для всех частиц то же, что было ранее предположено Планком для фотонов.