Страница 20 из 57
Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия. Специальная теория относительности основывалась на том, что — в отличие от механики И. Ньютона — пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с материей и между собой. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время» [19].
Таким образом, данные науки утверждали представление о существовании единства материального мира во всех его проявлениях. К числу явлений для объяснения которых потребовался высокий уровень абстрактного мышления относится и фотоэффект. (Электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта или фотона, который при этом теряет свою энергию.
Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Энергия электрона зависит от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.) Казалось, что корпускулярная теория материи торжествует. Корпускулярные свойства фотона подтверждало наличие светового давления (упоминавшиеся ранее опыты русского физика П. Н. Лебедева, 1899 г.).
Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон — это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излучается и поглощается — как частица. А может просто частица, движущаяся в упругой среде и создающая волновые колебания вокруг себя подобно камню, брошенному в воду?
Ведь позднейшие открытия показали, что физический вакуум совсем не пуст. Опытное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате наблюдения дифракции электронов в эксперименте, поставленном в 1927 г. американским физиком Клинтом Дэвиссоном (1881--1958) и Лестером Джермером (1896-1971). Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки металла, вели себя подобно свету, проходящему мимо малых отверстий или узких щелей.
Другими словами, распределение электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным направлениям, было таким же, как если бы на пластинку падал пучок цвета с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля. Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории — квантовой механики.
У объектов микромира, рассматриваемых с позиций квантовой механики, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего—это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы, и волны одновременно, а точнее — диалектическое единство свойств тех и других).
Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементарной частицы в пространстве в каждый момент времени не может быть определено с помощью системы координат, как для привычных нам тел окружающего мира. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики.
Об ограниченности законов классической механики при описании явлений микромира свидетельствует, например, установленное видным немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901—1976) соотношение неопределенностей: если известно местоположение частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Это одно из фундаментальных положений квантовой механики.
С точки зрения классической механики и «здравого смысла» принцип неопределенности представляется абсурдным. Нам это представить трудно. Вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т. д.
У многих возникли сомнения в возможностях науки познавать вселенную. Однако, законы мироздания свидетельствуют об обратном. Истоки уверенности в их действенности лежат в христианском взгляде на окружающий мир. Развитие представлений о взаимопревращениях энергии и диалектизация современного естествознания К идее превращения одних видов энергии в другие первоначально пришел немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878)
во время своего путешествия в Ост-Индию в 1840 г. Он обнаружил, что венозная кровь больных в тропиках была краснее, чем в Европе, и объяснил это явление более высоким содержанием кислорода в крови. Последнее, полагал Майер, обусловлено тем, что при высоких температурах в организме человека сгорает меньше пищи, поскольку тело в этих условиях требует меньше тепла, получаемого за счет питания.
Поэтому в венозной крови остается больше кислорода. Таким образом, Майер фактически высказал мысль, что химическая энергия, содержащаяся в пище, превращается в теплоту (подобно тому, как это происходит с механической энергией мышц). Только в 1843 г., после некоторых неудач, Майеру удалось опубликовать свою идею в статье «О количественном и качественном определении сил», а в 1845 г.
вышла его книга «Органическое движение в его связи с обменом веществ, вклад в естествознание». В этих работах Майер показал, что химическая, тепловая и механическая энергии могут превращаться друг в друга и являются равноценными. Выводы Майера с недоверием были восприняты в научных кругах того времени как недостаточно обоснованные. Опыты, проведенные одновременно и независимо от Майера английским исследователем Джеймсом Прескоттом Джоулем (1818-1889)
, подвели под идеи Майера прочную экспериментальную основу. Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. На основе хорошо поставленного эксперимента он пришел к выводу, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнито-электричество (электромагнитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индуцированного тока.
Достигается это вращением электромагнита индукционной машины с помощью падающего груза и теплоты, выделяемой в цепи. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектичества и механическом эффекте теплоты» (1843 г.) Джоуль указывал на «количество тепла, которое в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут» [16]. Результаты, полученные в экспериментах, привели Джоуля к следующему обобщенному выводу. «...
Во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты» [16]. В работе 1843 г. Джоуль также утверждал, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме, т. е. фактически делал те же выводы, к которым несколько ранее пришел Майер. В первой половине 40-х годов XIX в.
и некоторые другие ученые претендовали на приоритет в открытии закона сохранения и превращения энергии. Например, в том же 1843 г. датский инженер Людвиг Август Кольдинг (1815-1888) доложил в Королевском Копенгагенском обществе о результатах своих опытов по определению отношения между работой и теплотой, которые позволили считать его одним из сооткрывателей указанного закона.
В отстаивании данного закона и его широком признании в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитых физиков XIX в. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894). Будучи, подобно Майеру, врачом, Гельмгольц, так же как и он, пришел от физиологии к закону сохранения энергии. Признавая приоритет Майера и Джоуля, Гельмгольц пошел дальше и увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.
Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Вольт изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту.
Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о взаимопревращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля — Ленца).