Современная физика возникла на рубеже ХХ в., как раз на основе открытия электрона и радиоактивности. Ее начало, как и последующие развитие, не было безмятежным и спокойным. Замечательные открытия физики конца ХIХ – начала ХХв. Не укладывались в рамки господствовавших на протяжении долгого времени представлений, выработанных в результате обобщений обыденного опыта. Началась ломка этих представлений, появились трудности философского и методологического характера. Естествоиспытатели и философы, стоявшие на различных идеалистических позициях, заговорили о «кризисе физики». Оживилась борьба между материализмом и идеализмом, чему имелась и другая причина- идеологическая реакция на поражение русской революции 1905г.
Возникновение электродинамики
Успехи электростатики, завершившиеся открытием количественного закона электрических взаимодействий, предопределили дальнейший путь развития науки об электричестве: накопление экспериментальных фактов в области электростатики , усовершенствования электростатических машин и электрометров, построение математической теории электростатических и магнитостатических взаимодействий. Все это действительно происходило: накапливались новые факты, усовершенствовались приборы и аппараты, появились чувствительные электроскопы, в частности электроскоп Вольты с соломинками, снабженный конденсатором, электроскоп Беннета с золотыми листочками, вольта установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Физики впоследствии отметили заслугу Вольты во введении в науку такого важного понятия, как «напряжение», присвоением единице электрического напряжения наименования «вольт». Вольта подготовил и создание электрической машины, основанный на электрофоре. Математическая теория разрабатывалась Пуассоном, Грином, Гауссом и др. учеными.
Физиологические действия электричества, открытие электрических свойств ската заинтересовали врачей и физиологов. Естественно было ожидать что электричество и магнетизм окажутся полезными во врачебной практике, и тот факт, что у итальянского врача Луиджи Гальвани оказалась электрическая машина, вполне соответствовал духу времени. Путем опыта над «лапкой лягушки» он пришел к выводу о существовании «живого электричества». «… двойственное и противоположное электричество находится в самом животном препарате» Он показал что положительное электричество находится в нерве, отрицательное в мышце. Но физик поверивший сначала в существование «живого электричества», вскоре пришел к противоположному выводу о физической причине явления. Этим физиком был А.Вольта.
Триумф вольтова столба обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани. Вольта в результате длинного ряда опытов пришел к выводу , что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а контакт разнородных материалов. Ему пренадлежит и создание первого генератора электрического тока, так называемого вольтового столба, оказавшего огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на историю человеческой цивилизации. Вольтов столб возвестил о наступлении повой эпохи-эпохи электричества.
Во времена Гальвани электрофизиологические явления еще не созрели для научного анализа, и то, что Вольта повернул открытие Гальвани на новый путь, было очень важно для молодой науки об электричестве.
Сразу после сообщения о новом приборе начались опыты по его изготовлению и изучению действий электрического тока. Так английские химики Никольсон и Карлейль, построив вольтов столб из 17 элементов, осуществили электролиз воды. Так были открыты химические действия тока, успешно исследовавшиеся английским химиком Дэви. Он открыл путем электролиза щелочные металлы калий и натрий. Одной из первых монографий, посвященных описанию нового источника тока и опытов с ним, была монография В.В. Петрова. В ней он изложил свой знаменитый опыт с электрической дугой. Труды Петрова оставались неизвестными за рубежом, его открытия переоткрывались. В вышедшей еще при жизни Петрова «Опытной, наблюдательной и умозрительной физике» написанной Д. Велланским, электрическая дуга и батарея Петрова не упоминается, хотя Велланский рассказывает о батарее Шиллерна, о сухих батареях Делюка, Зингера, Замбони, об электрических светоносных явлениях, об электризации проводников «стеганием», т.е. о многих вещах, о которых писал Петров. Так начинала свое развитие электродинамика в конце ХVIII в. начале ХIХ вв.
Наука второй половины ХIХ в.
Исследования и достижения Гельмгольца
Одним из самых знаменитых физиков второй половины 19 столетия, общепризнанным лидером физической науки был Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц. В отличии от своих предшественников он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя, считал его тождественным принципу, что «все действия в природе можно свести на притягательные или отталкивательные силы». Материю он рассматривает как пассивную и неподвижную. По мнению Гельмгольца, мир – это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом центральными силами. Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы. Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» он заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую силу». При этом мерой произведенной работы Гельмгольц считает половину произведения mv2. Таков важный шаг, сделанный Гельмгольцем, в развитии закона сохранения энергии. Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасенной электрической энергии. Он показал что при этом разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений».
Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Он указывает, что количество теплоты, выделяемое в металлическом проводнике с сопротивлением w в течении времени t , равно «по Ленцу», v=I2wt и показывает, что это соответствует работе электрических сил. Он разбирает энергетические прoцессы в гальванических источниках, термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений. Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, делает свой известный вывод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана( нашел выражение закона индукции в следующем виде V= - А/t , где знак минус показывает что на создание индукционного тока надо затратить энергию.) и опираясь на закон Ленца( рассматривал вопросы распределения тока в разветвленных проводниках, а так же занимался изучением электромагнитов). В своем сочинении Гельмгольц уделяет главное влияние физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не менее именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета, затем стал профессором анатомии и физиологии. Он много и успешно занимался физиологией зрения, эти исследования существенно обогатили область знания и практическую медицину. Итогом этих исследований явилась « Физиологическая оптика».
Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Наряду со многими другими современниками настойчиво боролись за утверждение и признание закона вопреки противодействию цеховых ученых. Наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.
Развитие физики во второй половине ХIХв.
Создание лабораторий
Вторая половина ХIХ в. отмечается важными изменениями в организации подготовки физиков. В это время сначала в Европе, а затем в Америке создаются физические лаборатории, зарождаются научные школы. В прошлом физик работал в одиночку. Приборы обычно покупались на собственные деньги или изготовлялись самими учеными. Нередко лабораториями служили частные комнаты. Опыты по разложению белого света Ньютон проделал в своей квартире в Кембридже. В такой же обстановке проводили свои исследования многие ученые. В Германии до 40х. годов 19 столетия делалось существенное различие между учреждениями для учебных целей и для научных исследований. Такое же положение было и в университетах России, где считалось, что главная задача преподавателя – читать лекции, а не занятия наукой – вещ. второстепенная и необязательная.
В середине ХIХв. бурное развитие промышленности, машиностроения, химической промышленности, металлургии и горного дела, электротехники, теплотехники, строительство железных дорог, возникновение пароходства и воздухоплавания – все это стимулировало развитие науки, новых форм ее организации. Все более усиливалась связь науки и техники. Значительно усложнилась физическая теория и эксперимент. Новые задачи, стоящие перед физической наукой требовали для своего решения все большего числа физиков.
Итак, в новых условиях необходимо было предусмотреть новые формы и темпы подготовки ученых. Старые образовательные учреждения были не в состоянии выполнить эту роль, перестройка их была необходима. И с 40х. годов начинают создаваться физические лаборатории как новая форма организации коллективных методов исследования в физике.
Германия
Лидерство в перевооружении физики заняла Германия, которая переживала национальный и культурный подъем. Первая физическая лаборатория была создана в Геттингенском университете. В ней проводились исследования в области электромагнетизма. Вскоре лаборатория превратилась в физический институт. Здесь появился первый учебник по практической физике, с его появлением практические занятия по физике начали распространяться по всем университетам и политехническим институтам мира. Впоследствии физический институт так разросся, что дал начало пяти новым подотделам института, в которых работали многие известные ученые, такие, как Нернст, Вихерт, Клейн, Рикке и др. Было подготовлено много ученых не только из Германии, но из других стран мира. В 40х г. В Берлине университетский профессор Магнус оборудовал несколько комнат в своем доме под физическую лабораторию и принимал студентов для работы в ней. Университет оплачивал расходы по содержанию лаборатории. Тематика исследований была самой разнообразной, изучались процессы гниения и брожения, исследовалось распространение звука в твердых телах. Магнус положил начало физическим коллоквиумам.
Но эта лаборатория не была единственной частной при Берлинском университете, почти каждый профессор физики этого университета имел в своей квартире лабораторию, где студенты выполняли практические работы. В 63г. Лабораторию Магнуса переносят в здание университета, она становится не частной, а государственной.
В отличие от Магнуса Нейман в созданной им в Кенигсберге лаборатории умело сочетал экспериментальную и теоретическую физику. При е создании Нейман столкнулся с немалыми трудностями. Он обращался к официальным властям с просьбой профинансировать, но ему отказали. Он организовал лабораторию на собственные средства. Учеников у Неймана было меньше чем У Магнуса. Среди великих его учеников бал Г-р Кирхгоф. Впоследствии он сам становится руководителем физической лаборатории.
В Страсбургском университете основанном в 1872г. Уже заранее было предусмотрено строительство физического института. Вслед за ним создаются физические институты в Лейпциге, Мюнхене, Бонне, Бреслау, Фрайбурге др. городах. Вскоре каждый немецкий университет обзавелся хорошо оборудованной физической лабораторией. Создание лабораторий повлекло за собой развитие старых и основание новых мастерских физических приборов.
Великобритания
В 70х. г. Великобритания начала терять былое могущество и отставать от своих более молодых соперниц – Германии и США. Это отставание сказалось на темпах роста строительства лабораторий. Среди пионеров экспериментального обучения в Великобритании были профессора В.Томсон, Клифтон,Фостер, Адамс,Б. Стюарт. Томсон занял пост профессора натурфилософии в 22 года в университете Глазго. Для проведения экспериментов по электродинамике он пригласил себе в помощь нескольких студентов. Лабораторией им служили старые лекционные комнаты и заброшенный винный подвал, а после переезда университета в новое здание, Томсону были предоставлены просторные помещения для экспериментальной работы.
В Оксфорде в 67г. В небольшой комнате, выделенной университетом, профессор Клифтон начал обучение экспериментальной физике. В 72г. Вступила в строй спланированная Клифтоном Кларедонская лаборатория, послужившая прототипом для многих лабораторий мира. В 67г. Фостер в университетском колледже в Лондоне в небольшой комнате так же начал занятия по экспериментальной физике. Затем, чуть позже, в Оуэн-колледже начали проводиться занятия в физической лаборатории под руководством Стюарта, в 98г. Было выстроено новое здание лаборатории, оборудованное лучшей аппаратурой того времени. Из всех английских лабораторий систематическое обучение было только в Кинг-колледже.
США
С гораздо большим размахом систематическое лабораторное обучение было введено в Массачусетском институте технологии в Бостоне профессором Э.С,Пикерингом.В США обучение практической физике в технических учебных заведениях было поставлено лучше чем в колледжах и университетах.
Франция
Франко-прусская война подорвала экономическое могущество Франции, уступавшей по объему промышленного производства только Англии. Это не могло не сказаться на развитии науки. Одной из первых лабораторий во Франции была Севрская Лаборатория Реньо для термодинамичесских исследований. Он занимался вопросами термодинамики т.к. промышленность остро нуждалась в более совершенных тепловых машинах. Этим и объясняется, что ему были созданы хорошие условия для исследовательской работы. Вообще французские ученые выражали неудовольствие отсутствием лабораторий и средств для проведения исследований. В 68г. Министерством образования выпущено 2 декрета, об необходимости проведения практических занятий и создания лабораторий для научных исследований. В этом же году профессор Жамен открыл Лабораторию в Сорбонне. Под его руководством в лаборатории работали несколько русских и румынских ученых.
Но несмотря на то что Франция вслед за Германией и Англией начала обучение экспериментальной физике, она в значительной мере отставала в этом деле от передовых стран.
Россия
Для русских физиков местом деятельности служили физические кабинеты. Здесь хранились аппаратура, которую применяли на лекционных демонстрациях, и проводились единичные экспериментальные исследования. В России были ученые, понимавшие важность практического обучения. Так, В.В.Петров в 1795г. Организовал первый физический кабинет при Медико-хирургической академии. Его желание организовать научно-исследовательскую работу для студентов, превратить кабинет в лабораторию не осуществилось.
Первая лаборатория в России создается при Петербургском университете Петрушевским в 1865г. В первые пять лет число работающих в ней не превышало и десяти человек. Лаборатория испытывала большие трудности из-за недостатка помещения, приборов и средств, отпускаемых на ее нужды. Петрушевский и его ученик И.И.Боргман боролись за создание физической лаборатории, отвечающей современным требованиям. Благодаря их хлопотам средства на постройку нового здания физического института были отпущены, и 9 сентября 1901 г. Физический институт был открыт. В новом помещении появилась возможность значительно расширить физический практикум и так же проводить многочисленные физические исследования.
В 1867г. Д.А.Лачинов создает физическую лабораторию в Петербургском земледельческом институте. В 70х г. М.П.Авенариус организовывает физическую лабораторию в Киевском университете, а А.Г.Столетов- в Московском университете. В лаборатории Московского университета был выполнен ряд замечательных работ сыгравших большую роль в развитии физики. Столетов провел в своей лаборатории актиноэлектрические исследования, принесшие ему мировую славу. Он привлек в лабораторию П.Н.Лебедева, впоследствии создавшего замечательную школу русских физиков, прославивших родную науку исследованиями светового времени.
Итак одновременно с лабораториями за границей в России появились физические лаборатории в Петербургском и Московском университетах. Но экономическая отсталость России, реакционность правительства мешали развитию лабораторий.
Второе начало термодинамики
Прогресс теплотехники не только стимулировал открытие закона сохранения и превращения энергии, но и двинул вперед теоретическое изучение тепловых явлений. Уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика теории теплоты, разрабатывались математические методы. Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р,Клаузиус, В.Томсон и др. ученые.
Роль В.Томсона и Клаузиуса в развитии термодинамики
Томсон родился в г.Белфасте, в восемь лет переехал в Глазго, который впоследствии стал местом жизни и труда знаменитого физика. В 22 года он становится профессором.
Томсон предпринял серию экспериментов по электродинамическим свойствам материи. Он обладал большим педагогическим талантом и прекрасно сочетал теоретическое и практическое обучение. Лекции по физике сопровождались демонстрациями. К проведению демонстраций Томсон привлекал студентов, что стимулировало интерес слушателей.
Томсону наряду с Клаузиусом принадлежит заслуга в обосновании второго закона термодинамики. Еще в 1848 г. Он сомневался в справедливости закона сохранения энергии, так как в тепловых машинах теплота не полностью переходит в работу( это было показано еще Карно). Работа Карно подсказала Томсону важную мысль о введении температурной шкалы, не зависящей от выбора термометрического тела,- абсолютной шкалы температур. Эта «шкала Кельвина» основана на процессе Карно, который, как известно, носит абсолютный характер, не зависящий от выбора рабочего вещества и характера процессов, применяемых в цикле. Введение «шкалы Кельвина» представляет первый и существенный вклад Томсона в термодинамику.
В 1851г. сделал доклад «О динамической теории теплоты». Эта работа представляла собой изложение новой точки зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, динамическую форму механического эффекта». По этому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой».
Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях. Эти положения он обосновал аксиомой « Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов»
Клаузиус, который много трудился над математическим оформлением основ термодинамики, в своей «Механической теории тепла» дает аналитическое выражение первого начала и вводит фундаментальное понятие механической работы, исследует условия интегрируемости дифференциального выражения работы.
Клаузиус рассматривает круговые обратимые процессы и указывает, что в простом круговом процессе типа цикла Карно совершаются два вида превращений: переход теплоты в работу и переход теплоты более высокой температуры в теплоту более низкой температуры. Второе начало «должно выражать отношение между этими двумя превращениями». Он формулирует второе начало как принцип эквивалентности превращения . Для определения функции температуры Клаузиус рассматривает обратимый процесс с идеальным газом. Он формулирует второе начало термодинамики в вде положения: «Энтропия Вселенной стремится к максимуму». Так через 20 лет после Томсона он так же пришел к концепции «тепловой смерти». Постулат Клаузиуса и концепция тепловой смерти вызвали большое количество возражений. Были придуманы многочисленные эксперименты. Очень тонкий мысленный эксперимент выдвинул Максвелл в своей «теории тепла».
Теория - «Демон Максвелла»
Он сначала считал, что второе начало имеет ограниченную область применения. «Это положение, -писал Максвелл о втором начале,- несомненно верно, пока мы имеем дело с телами большой массы и не имеем возможности неразличать отдельных молекул в этих массах, ни работать с ними. Но если представить себе существо со столь изощренными способностями, что оно было бы в состоянии следить за каждой отдельной молекулой во всех ее движениях, то подобное существо было бы способно сделать то, что для нас в настоящее время невозможно…».
«Демон Максвелла» работает, используя основные положения кинетической теории, согласно которым молекулы движутся с различными скоростями и температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул.
Критическое отношение многих ведущих физиков того времени к закону сохранения энергии, дискуссия вокруг второго начала термодинамики вытекали из самого существа этих фундаментальных открытий, затрагивающих глубокие вопросы мировоззрения. Эпоху установления начал термодинамики сравнивали – и не без основания – с эпохой Галилея. Наука тогда в эпоху вплотную подходила к вопросам, издавна считавшимся прерогативой религии: начало и конец мироздания, сотворения и уничтожения материи и движения. Закон сохранения энергии укреплял позиции материалистов и подрывал устои религиозного мировоззрения. С другой стороны, концепция тепловой смерти казалась благоприятной для церковного учения о «конце мира», о «последних временах», предшествующих вторичному приходу Христа. Все это способствовало возникновению острой философской дискуссии вокруг новых открытий в физике.
С конца ХVIIIв. Началось резкое расхождение между философией и естествознанием. Естествознание занялось «малыми делами», измеряя константы, производя многочисленные опыты; философия, возглавляемая Кантом, Фихте, Шеллингом и Гегелем ушла в отвлеченные высоты духа.
Список литературы
П.П.Кудрявцев «Курс истории физики» 1982г.
М. Планк «Единство физической картины мира» 1966г.
Д. Томсон «Дух науки» 1970г.
Б.И. Спасский «История физики» 1977г. т.-1,2