Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; после открытия Дж. Блэком скрытой теплоты плавления и экспериментального доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах стали различать температуру и количество теплоты. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу тепла: теплоту стали рассматривать как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость – теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Теория теплоты, согласно которой теплота – это вид внутреннего движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.
Классическая физика (19 в.).
В начале 19 в. длительная конкуренция между корпускулярной и волновой теориями света завершилась окончательной, казалось бы, победой волновой теории. Этому способствовало успешное объяснение Т. Юнгом и О. Ж. Френелем явления интерференции и дифракции света с помощью волновой теории. Эти явления присущи исключительно волновому движению, и объяснить их с помощью корпускулярной теории представлялось невозможным. В это же время было получено решающее доказательство поперечности световых волн (Френель, Д. Ф. Араго,Юнг), открытой ещё в 18 в. (см. Поляризация света ) .Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель нашёл количественный закон, определяющий интенсивность преломленных и отражённых световых волн при переходе света из одной среды в другую (см. Френеля формулы ) ,а также создал теорию двойного лучепреломления.
Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических батарей – дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви , М. Фарадей) . В. В. Петровполучил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов ( Ампера закон ) .
В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная ) .При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.
В начале 19 в. Дж. Дальтон ввёл в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах вещества – носителях химической индивидуальности элементов.
К 1-й четверти 19 в. был заложен фундамент Ф. твёрдого тела. На протяжении 17–18 и начала 19 вв. происходило накопление данных о макроскопических свойствах твёрдых тел (металлов, технических материалов, минералов и т.п.) и установление эмпирических законов поведения твёрдого тела под влиянием внешних воздействий (механических сил, нагревания, электрических и магнитных полей, света и т.д.). Исследование упругих свойств привело к открытию Гука закона (1660), исследование электропроводности металлов – к установлению Ома закона (1826), тепловых свойств – закона теплоёмкостей Дюлонга и Пти (1819) (см. Дюлонга и Пти закон ) .Были открыты основные магнитные свойства твёрдых тел. В это же время была построена общая теория упругих свойств твёрдых тел (Л. М. А. Навье,1819–26, О. Л. Коши,1830). Почти для всех этих результатов характерна трактовка твёрдого тела как сплошной среды, хотя уже значительной частью учёных было признано, что твёрдые тела, являющиеся в большинстве своём кристаллами, обладают внутренней микроскопической структурой.
Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию – теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер,Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики.
Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики.Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака,на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.
На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла.В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение ) .После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились ипривели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л. Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.
Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения,подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена.
Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (см. Ток смещения ) .Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886–89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.
В 19 в. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в начале 20 в. Х. Камерлинг-Оннес (1998) ожижил гелий.
К концу 19 в. Ф. представлялась современникам почти завершенной. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механическая среда, в которой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших физиков 19 в. – У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицательный результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетической теории зависимость теплоёмкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений Ф. 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.
Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (конец 19 – 20 вв.).
Наступление новой эпохи в Ф. было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. Важную роль в этом открытии сыграло исследование электрических разрядов в газах.
В конце 19 – начале 20 вв. Х. Лоренц заложил основы электронной теории.
В начале 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре.
Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта,справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования ( Лоренца преобразования ) ,но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.
Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком,показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h= 6,6Ч10 -27 эргЧ сек,получивший впоследствии название постоянной Планка.
В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном ) .На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта,не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.
Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором в 1913.
К этому времени Э. Резерфорд (1911) на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали расчёты, за время порядка 10 -8 сек) упасть на него. Т. о., устойчивость атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классической Ф. Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах имеются особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913–14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных электрическим полем. Для простейшего атома – атома водорода – Бор построил количественную теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.
В тот же период (конец 19 – начало 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её современном понимании как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц (~ 10 22 см --3) .До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: Ф. кристаллической решётки и Ф. электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.
Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в начале 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.
В конце 19 в. Е. С. Федоров работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретической кристаллографии; в 1890–91 он доказал возможность существования 230 пространственных групп симметрии кристаллов – видов упорядоченного расположения частиц в кристаллической решётке (т. н. федоровских групп ) .В 1912 М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг н У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вульф (1913)]. В эти же годы (1907–1914) была разработана динамическая теория кристаллических решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры – факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамическая теория кристаллической решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.
Второе направление (Ф. системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллическую решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классической. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана – Франца (П. Друде ) ,заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классической электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость удельного сопротивления металлов от температуры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т.д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.
Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф.
Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера – постоянная Планка h– универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с hи дискретностью действия можно пренебречь.
В 20-е гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физических теорий – квантовая, или волновая, механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства макроскопических тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка – Эйнштейна – Бора и выдвинутая Л. де Бройлем гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т.д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина которой равна отношению постоянной Планка hк импульсу частицы, а частота – отношению энергии частицы к h) . Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы (см. Дифракция частиц ) .
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
В 1925 Дж. Ю.
Уленбек
и С. А.
Гаудсмит
на основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения –
спина
(а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магнитного момента), равного
1/
2
.(Величина спина обычно выражается в единицах
=
h/2p
,которая, как и
h,называется постоянной Планка; в этих единицах спин электрона равен
1/
2.) В.
Паули
записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета, согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (
Паули принцип
)
.Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретическое обоснование
периодической системе элементов
Менделеева.
В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение ) ,из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой античастицы ) ,в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах.[Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона) – антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]
Параллельно с развитием квантовой механики шло развитие квантовой статистики – квантовой теории поведения физических систем (в частности, макроскопических тел), состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 Ш. Бозе,применив принципы квантовой статистики к фотонам – частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул ( Бозе – Эйнштейна статистика ) .В 1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и др. одинаковых частиц со спином 1/ 2), для которых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистике – Ферми – Дирака статистике.В 1940 Паули установил связь спина со статистикой.
Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода «частиц», точнее квазичастиц , – фононов (введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону T 3) c понижением температуры Тв области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов – рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.