Концепции современного естествознания: конспект лекций - Ольга Стрельник

В 1818 г. с критикой корпускулярной теории выступил французский физик О. Френель. Его выводы убедительно говорили в пользу волновой теории. Предложенная О. Френелем волновая теория предполагала существование явления дифракции, которое должно было наблюдаться в виде светлого пятна в центре тени, отбрасываемой круглым экраном. Это рискованное предположение получило блестящее экспериментальное подтверждение, и волновая теория О. Френеля в начале XIX в. была признана научным сообществом. Окончательное подтверждение волновая теория получила после измерения скорости света в разных средах – воде и воздухе. Согласно корпускулярной теории скорость света в воде должна быть больше, чем скорость света в воздухе. Однако эксперимент показал, что скорость света в воде, т. е. в более плотной среде, оказалась меньше, чем скорость света в воздухе – менее плотной среде.

Недостатком волновой теории света было представление о среде – носителе световой волны. В XIX в. выдвигалась гипотеза, согласно которой таким носителем выступает светоносный эфир. Однако эта гипотеза сталкивалась с серьезной проблемой, разрешить которую не удавалось. Если предположить, что концепция светоносного эфира верна, то возникает вопрос, как эфир взаимодействует с веществом; в частности, увлекается ли эфир Землей при ее движении. Если эфир не увлекается движущимися телами, то его можно рассматривать в качестве абсолютной системы отсчета. Если же он взаимодействует с веществом, то это взаимодействие должно наблюдаться в оптических явлениях.

Недостатки волновой теории света привели к тому, что в конце XIX – начале XX в. физики вновь вернулись к корпускулярной теории, в научный обиход было введено представление об особых световых частицах – фотонах. Корпускулярные и волновые представления объединились только в концепции корпускулярно-волнового дуализма, т. е. уже в неклассической физике XX в. (3.3).

Четвертой составляющей классической физики является электродинамика, или теория электромагнитного поля.

В 80-е гг. XVIII в. французский физик Ш. О. Кулон провел ряд экспериментов по измерению силы, действующей между двумя зарядами. В результате обобщения опытных данных был сформулирован основной закон электростатики: электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Таким образом, оказалось, что электрическая сила действует так же, как и гравитационная.

В 30-е гг. XIX в. английский физик М. Фарадей предложил понятие поля. Это понятие противоречило представлениям о материи как совокупности атомов. По мнению М. Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атомов и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля. Безусловно, концепция поля в электродинамике могла сформироваться только после утверждения волновой теории в оптике. М. Фарадей высказал также предположение о единстве электрических и магнитных явлений. В 1831 г. он поставил опыт, который продемонстрировал, что переменное магнитное поле индуцирует электрический ток.

На основе экспериментальных данных М. Фарадея в 60-е гг. XIX в. Дж. Максвелл создал единую теорию электромагнитного поля. Основные принципы своей концепции он изложил в работе «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864). Вспомогательному понятию поля Дж. Максвелл придал точный физический смысл: «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Дж. Максвелл высказал предположение, что любое переменное электрическое поле, возникающее между движущимися электрическими зарядами, порождает магнитное, а переменное магнитное поле возбуждает электрическое. Таким образом, источником электрического поля могут быть неподвижные электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля, а источником магнитного поля – движущиеся электрические заряды или переменные электрические поля. Концепция Дж. Максвелла позволила сделать предположение о существовании переменного электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью. Было установлено, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия равна скорости света в вакууме– 300 000 км/с. Оказалось, что свет– это электромагнитные волны определенной длины (от 380 до 770 нм). Таким образом, теория Дж. Максвелла теоретически обосновала родство электромагнитных и оптических явлений, предположение о котором высказывалось ранее.

Несмотря на успехи и большой эвристический потенциал, электромагнитная теория Дж. Максвелла имела ряд недостатков. Так, в ней использовалась сомнительная гипотеза светоносного эфира. По сути дела, концепция Дж. Максвелла отождествляла понятия эфира и электромагнитного поля. В конце XIX в. физики отказываются от гипотезы эфира и начинают рассматривать электромагнитное поле как особую форму материи, свойства которой невозможно объяснить механическими закономерностями. Преодоление противоречий классической электродинамики началось в 1900 г., когда немецкий физик М. Планк выдвинул собственную концепцию (3.2, 3.3).

2.4. Химия в XVII–XIX вв

В XVII–XVIII вв. быстро развивается еще одна естественно-научная дисциплина – химия – наука о качественных преобразованиях вещества, происходящих вследствие изменения его состава или строения. К этому времени алхимия, доминировавшая в средневековой культуре IX–XVI вв. и в значительной мере подготовившая возникновение научной химии, приходит в упадок. В основе классической химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкиппом, Демокритом и Эпикуром. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц – атомов. Атомы находятся в постоянном движении, благодаря которому они могут взаимодействовать друг с другом. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов. Вплоть до конца XIX в. в естествознании господствовало представление о том, что атом – это наименьшая частица вещества, предел делимости материи; в ходе химических превращений веществ разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными. Только наука XX в. показала, что элементарными частицами выступают отнюдь не атомы (3.4).

Начало научной химии связывают с работами английского ученого XVII в. Р. Бойля, который предложил понятие «химический элемент». По мнению Р. Бойля, химический элемент – это «простое тело», входящее в состав вещества и определяющее его свойства. Таким образом, первой концептуальной идеей теоретической химии становится утверждение о том, что свойства вещества зависят от входящих в его состав химических элементов. При этом понятие «простого тела» еще не было окончательно сформулировано ни Р. Бойлем, ни его последователями, и часто в качестве химических элементов они рассматривали соединения, а химические элементы, напротив, понимали как сложные вещества. Тем не менее их полуинтуитивные представления послужили основой для формулирования современного представления о химическом элементе как о совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра, которые, однако, могут различаться по своей массе.

В химии XVII в. господствовала теория флогистона. Эта теория была предложена для объяснения процесса горения. Предполагалось, что флогистон – это невесомая субстанция, которую содержат все вещества, способные к горению, и которая выделяется в процессе горения. Открытия в химии середины и конца XVIII в. привели к отказу от теории флогистона. Так, в 1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы, не допускающий возможности существования невесомой материи. Это закон гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Несколько позже французский химик А. Лавуазье разработал кислородную теорию горения, признание которой способствовало тому, что теория флогистона была полностью отвергнута. А. Лавуазье также впервые попытался систематизировать химические элементы в соответствии с их атомной массой, предложил первую номенклатуру химических соединений, в которой каждое вещество имеет свое собственное постоянное название, и т. п. Именно благодаря усилиям А. Лавуазье химия начала освобождаться от рецептурного характера, который она получила в наследство от алхимии, и постепенно стала формироваться в качестве строгой научной дисциплины.

Следующий этап в развитии химии (начало XIX в.) связан с именем английского химика Дж. Дальтона, который ввел в научный обиход понятие атомного веса. Дж. Дальтон является создателем теории атомного строения, или химической атомистики, которая позволила решить многие проблемы химии того времени. В 1803 г. Дж. Дальтон составил первую таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода, а в 1804 г. предложил таблицу элементов в соответствии с их относительными атомными массами. Исследования химического состава газов позволили Дж. Дальтону сформулировать закон кратных отношений – один из фундаментальных законов химии. Закон кратных отношений утверждает, что массы двух химических элементов в любых возможных соединениях относятся друг к другу как целые числа.