Это памятное открытие волн Герца и их свойств не оставило больше никаких сомнений в правильности основных идей Максвелла, касающихся электромагнитной природы света. И нет, пожалуй, нужды напоминать, что именно открытие волн Герца позволило осуществить беспроволочный телеграф, а позднее способствовало развитию других средств связи на расстоянии.
Разработав ЭМКМ (электромагнитную картину мира), Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.
Электронная теория Лоренца
Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.
В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1987 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу[10].
Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.
1. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ.
2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.
3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.
4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.
Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.
В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности.
После этого, в конце XIX в., большинство ученых считало, что создание полной и окончательной естественнонаучной картины мира практически завершено. Все явления природы, в соответствии с этой картиной мира, являются следствием электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма). Критериями истинности в такой картине мира являются, с одной стороны, эксперимент («практика - критерий истины»), а с другой стороны - однозначный логический вывод (с XVII века, как правило, математический) из более общих посылок (дедукция). Отметим здесь также, что одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась независимость объективных процессов в природе от субъекта познания, отделенность объекта от средств познания[11].
Применение классической физики возможно в масштабах наших повседневных явлений. Но при переходе к масштабам атомов классическое описание уже неприменимо. Это связано с величиной постоянной Планка; в обычных условиях возмущения, вносимые вследствие влияния квантов, почти невозможно измерить. В этом мире бегущая через лес газель из-за дифракции превращалась в стадо, автомобиль туннелировал сквозь стену в дом.)
Классическая физика изображала Вселенную в виде огромного механизма, поведение которого можно совершенно точно описать, задав положение всех его частей в пространстве и изменение положения со временем. Этот взгляд основывался на некоторых гипотезах. Во-первых, считалось, что можно одновременно задать параметры, отвечающие локализации объекта и его движению. Однако это противоречит существованию кванта действия в квантовой физике. Во-вторых, в классической физике полагается, что можно сделать пренебрежимо малым влияние возмущений, вносимых процессом измерения. Но для атомных масштабов попытка измерить какую-либо величину приводит к неконтролируемому изменению других величин – свойств системы.
Особое место в классической физике занимает теория относительности Эйнштейна.
Развитие теории относительности началось с изучения некоторых вопросов, связанных с оптическими явлениями, происходящими в движущихся средах. Представление Френеля о свете предполагало существование эфира, заполняющего всю Вселенную и проникающего во все тела. Теория Максвелла уже не требовала, чтобы световые колебания были колебаниями какой-то среды. Но уравнения Максвелла не удовлетворяли принципу относительности классической механики. То есть они становились неверными при переходе в другую движущуюся систему координат по классическим законам преобразования координат. Пришлось возвращаться к понятию эфира и считать, что уравнения Максвелла верны только в том случае, если система отсчета неподвижна относительно эфира. В этом случае изменение скорости движения Земли относительно эфира из-за вращения вокруг Солнца должно было быть зарегистрировано в интерференционных измерениях. Опыт Майкельсона – Морли показал, что никакого движения относительно эфира нет[12].
Почти одновременно с этим были выведены преобразования Лоренца, относительно которых уравнения Максвелла были инвариантны. Были сделаны многочисленные попытки связать эти результаты с классическими представлениями, но все они носили искусственный характер. Делалось даже предположение, что при движении относительно эфира предметы действительно сокращаются.
Эйнштейн в 1905 г. нашел правильную интерпретацию. Она заключалась в том, что именно преобразование Лоренца выражает точную связь между наблюдателями в разных системах отсчета. Отсюда возникают хорошо известные следствия – кажущееся сокращение размеров предметов и замедление хода часов. Также были сделаны обобщения уравнений динамики, в частности было установлено соотношение массы и энергии покоя.
Основу специальной теории относительности составляют два постулата (принципа):
1. Принцип относительности Эйнштейна. Этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных систем отсчета протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальных систем отсчета (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).
2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе. Это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант.
Глубокий анализ этих постулатов показывает, что они противоречат представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона и отраженным в преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и электродинамики, должны быть инвариантны по отношению к одним и тем же преобразованиям координат и времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к другой. Уравнения Ньютона этому требованию удовлетворяют, а вот уравнения электродинамики Максвелла – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна к выводу о том, что Уравнения Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения механики, так и уравнения электродинамики оказались бы инвариантными по отношению к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся с принципом относительности Эйнштейна – релятивистская механика[13].
Классические уравнения ньютоновой механики инвариантны относительно преобразования Галилея. И если рассматривать это преобразование как соотношение, отражающее истинную связь между координатами, измеряемыми двумя наблюдателями, движущимися Друг относительно друга прямолинейно и равномерно, то отсюда однозначно следует, что уравнения Ньютона справедливы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно системы неподвижных звезд. Во всех этих системах координат механические явления будут подчиняться одним и тем же законам и, следовательно, никакие механические явления не могут позволить определить скорость системы отсчета, в которой производятся измерения относительно неподвижных звезд. В этом и состоит принцип относительности старой механики. Но с тех пор как Эйнштейн показал, что связь между координатами двух движущихся систем отсчета дается не преобразованием Галилея, а преобразованием Лоренца, положение совершенно изменилось. И, в частности, принцип относительности оказался применимым к оптическим и электромагнитным явлениям, что полностью согласуется с отрицательными результатами опыта Майкельсона и аналогичных ему других экспериментов. Но уравнения ньютоновой механики оказались неинвариантными относительно преобразования Лоренца, и, следовательно, принцип относительности оказался для механических явлений, строго говоря, уже несправедливым. Однако Эйнштейн считал этот вывод неправильным и исходил из предположения о том, что принцип относительности должен быть справедлив для всех физических явлений, в частности и для механических. Но тогда уравнения механики нужно было обобщить таким образом, чтобы они стали инвариантными относительно преобразования Лоренца[14].