Кузнецов Б.Г. Основы теории относительности и квантовой механики в их историческом развитии Изд. стереотип.

Содержание

Из главы 1. Электродинамика, электронная теория и электромагнитная картина мира

Естествознание XX столетия нарисовало новую картину мира, которая в большей мере отличается от классических представлений XIX в., чем эти последние отличались от механического естествознания XVII–XVIII вв. Первоначально казалось, что дело сводится к переходу от механической картины мира к электромагнитной. Впоследствии выяснилось, что новая картина мира имеет более сложный характер. Какие научные законы играют сейчас роль, аналогичную роли ньютоновых законов в классической картине мира? В свое время макроскопические законы ньютоновой механики были применены к микромиру; таким образом было создано единое атомистическое представление о природе, причем естествознание XIX столетия раскрыло специфические формы движения, характерные для каждой ступени иерархии дискретных частей вещества. Сейчас наиболее общими основами картины мироздания служат законы, сформулированные в теории относительности и квантовой механике. Развитие исходных принципов этих теорий ведет к построению новой картины мира, охватывающей структуру, движение и историю галактик, звезд, молекул, атомов и элементарных частиц.

Общим исторически исходным пунктом теории относительности и квантовых представлений была электронная теория Лоренца. Она появилась в девяностые годы.

Корни электронной теории уходят в классическую физику и прежде всего в классическую электродинамику. Но чтобы понять, почему новая теория выросла из старой в определенное время, нужно принять во внимание и собственно исторические условия: ускорившееся в конце века расширение экспериментальной и теоретической исследовательской работы в физике и особенно в электрофизике, создание очень крупных специальных университетских и промышленных лабораторий и исследовательских центров, новые возможности экспериментальной техники, увеличение объема научной литературы и т.д. В последнем счете здесь сказались сдвиги в производстве и в особенности в электротехнике.

Во всех основных отраслях производства происходили важные технические изменения, ставившие новые задачи перед исследовательскими центрами. Однако электротехника была особенно характерным источником адресовавшихся науке запросов и новых возможностей экспериментальной техники.

В восьмидесятые-девяностые годы электротехника оказала существенное воздействие на теорию электричества и на развитие понятия электромагнитного поля. Вместе с тем в физике развивались представления о дискретных зарядах, и эта линия научного развития также опиралась на определенные технические тенденции в промышленности, транспорте и связи. В этот период в технике и в науке усиленно применяются и изучаются процессы прохождения электричества через электролиты. Далее все большую роль начинают играть как в технике, так и в науке процессы прохождения электричества через разреженные газы. Если радиотехника первоначально опиралась на высокочастотные машины переменного тока и трансформаторы, то впоследствии радиотехника перешла к широкому использованию вакуумных приборов в качестве генераторов колебаний. Но это только часть широкой технической тенденции, свойственной современному производству. Вакуумные приборы нашли применение в промышленности. Электрохимия и электрифицированный транспорт в свое время привели к изобретению ртутного преобразователя – ровесника нашего века. Значительно позже вакуумные приборы начали применяться и для автоматики. В период широкого распространения вакуумных приборов, ионных преобразователей, радиотехники и рентгенотехники значительно расширяется ноле применения электричества вообще: развивается электронная автоматика, дефектоскопия, новые направления светотехники, применение электричества в медицинской диагностике и терапии.

В настоящее время некоторые отрасли производственной техники почти слились с техникой физического эксперимента. В области физики ядра, электроники, радиотехники, рентгенотехники различие между физиком-экспериментатором и инженером-конструктором стало малоуловимым. Производственные корни электрофизики стали чрезвычайно явными. Но в некоторой, разумеется меньшей, степени это имело место и шестьдесят лет назад, когда возникла электронная теория и электродинамика движущихся сред. Историческая связь между электротехникой (особенно электровакуумной техникой) и сдвигами в электродинамике несомненна.

В восьмидесятые годы электродинамика Максвелла получила экспериментальное подтверждение и широкое распространение. Основные идеи и математическая форма электродинамики Максвелла известны большинству читателей этой книга; поэтому мы лишь напомадим здесь, что уравнения электродинамики Максвелла остаются справедливыми, если электрические заряды и проводники с током движутся в пространстве. Движение тел не влияет на их электрические и магнитные взаимодействия, электродинамика может обнаружить лишь относительные смещения проводников и магнитных полюсов.

Иной характер имеет электродинамика Лоренца. Ее исторической основой было исследование электродинамических явлений в движущихся средах и развитие представлений об электронах. Это развитие таким коренным образом повлияло на физику в целом, что именно с открытия электронов и появления электронной теории начинается новая эпоха в науке.

В самом начале восьмидесятых годов Гельмгольц в речи, посвященной Фарадею, объяснил фарадеевы законы электролиза с помощью представления о неделимых частицах отрицательного электричества. Если каждый атом вещества, участвующий в электролитическом процессе, несет неделимый далее электрический заряд, то отсюда легко можно получить пропорциональность количества электричества и количества выделяющегося при электролизе вещества. Затем Дж.Стоней писал об электронах – элементарных зарядах, В конце века широкие и систематические исследования прохождения электричества через разреженные газы создали предпосылки для великих открытий, преобразовавших учение об электричестве и поставивших в центр его представление об электроне. В результате работ Дж.Дж. Томсона и Ф.Ленарда выяснилось, что открытые еще в пятидесятые годы катодные лучи отклоняются магнитом и электрическим полем, перпендикулярным к направлению лучей, так же, как отрицательно заряженные тела. Было высказано предположение, что катодные лучи представляют собой поток дискретных частиц электричества. В дальнейшем удалось не только доказать это предположение, но и определить массу и заряд этих частиц. Масса каждой частицы примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода, а заряд оказался равным 4,77 x10 10 эл.-ст. ед.

В девяностые годы представления об атомах и электронах сводились к следующему. Положительное электричество распределено равномерно по объему атома (Дж.Дж. Томсон). Вместе с тем атом включает некоторое число электронов, уравновешивающих положительный заряд. В диэлектриках электроны не отделяются от атомов и лишь немного смещаются, когда атом оказывается в электрическом поле. Напротив, в электролитах и проводящих газах атомы теряют или приобретают некоторое число электронов, становясь ионами – заряженными атомами, и движутся в электрическом поле. В металлах электроны движутся независимо от атомов. Когда электроны вращаются в атомах по замкнутым орбитам, они играют роль элементарных молекулярных токов, о которых говорил Ампер, и это вращение служит причиной магнитных явлений. Такое представление о дискретных электрических зарядах и их связи со структурой вещества было исходным пунктом создания и развития атомной физики.

Для генезиса теории относительности преимущественное значение имела другая сторона вопроса – проблема взаимоотношений электронов с эфиром. Лоренц предположил, что эфир представляет собой абсолютно неподвижную среду. В ней движутся электроны. Электрический ток целиком сводится к движению электронов. Электрические и магнитные силы действуют только на заряды; эфир не подвергается никаким воздействиям, остается неподвижным, и всякий электрический ток – это, в сущности, конвекционный ток – движение электронов. Поэтому величины диэлектрической постоянной epsilon и магнитной проницаемости mu теряют тот смысл, который они имели в электродинамике Максвелла. Ведь среда, в которой действуют электрические и магнитные силы, среда, для которой диэлектрическая постоянная и магнитная проницаемость были исходными, первичными понятиями, ныне оказалась собранием плавающих в эфире отдельных зарядов. Для эфира epsilon и mu равны единице, для отдельных электронов эти величины не имеют смысла, а для больших собраний электронов они сохраняют смысл в качестве статистических усреднений по большому числу дипольных электрических и магнитных моментов. В зависимости от этих первичных явлений, от сдвига или вращения электронов, тела, состоящие из элементарных зарядов, обладают той или иной диэлектрической постоянной и магнитной проницаемостью. Тела обладают также определенной проводимостью sigma. Проводимость также не исходное, а вторичное понятие: она связана с макроскопическим усреднением длин свободных пробегов электронов.

Представление о неподвижном эфире, в котором плавают дискретные частицы материи – элементарные электрические заряды, позволило объяснить множество электродинамических и оптических явлений. Лоренц пошел значительно дальше Френеля в утверждении неподвижности эфира: он полностью отказался от какого бы то ни было увлечения эфира движущимися телами и при этом не только получил все результаты Френеля, но и преодолел затруднения теории частичного увлечения. Из теории Лоренца вытекает, что движение тел в эфире не изменяет электродинамических и оптических процессов в сколько-нибудь заметной степени, так как изменения этих процессов пропорциональны не скорости движения тел, деленной на скорость света, v/с, а квадрату этой величины v²/c². Следовательно, эфирный ветер можно было бы обнаружить лишь очень тонкими экспериментами. Если не говорить об электродинамических и оптических процессах, зависящих от v²/c², то теория Лоренца не допускала возможности обнаружить движение зарядов относительно эфира. Ход явлений, согласно этой теории, определялся относительными сдвигами зарядов, изменением расстояний между телами, погруженными в эфир, Таким образом, представление об эфире как абсолютном теле отсчета, поставившее эфир на место ньютонова пустого абсолютного пространства, могло уживаться с некоторым условным (для явлений, зависящих от первой степени v/c) электродинамическим релятивизмом, с признанием, что движение относительно эфира не может повлиять на результаты оптических или вообще электромагнитных измерений величин первого порядка, не может быть обнаружено такими измерениями. Разумеется, теория Лоренца исключала электродинамический релятивизм второго порядка: измерения электромагнитных величин, зависящих от v²/c², должны были обнаружить абсолютное движение – движение тел относительно неподвижного эфира.

Забегая вперед, отметим, что такие измерения дали отрицательный результат, и благодаря этому в электродинамике утвердилось представление об относительности, уже не ограниченной первым порядком величин. Но при этом пришлось перестроить и учение об относительности механических движений – принцип относительности Галилея – Ньютона и связанные с ним основы классической механики. Почва для такого переворота была подготовлена развитием электромагнитной картины мира и в особенности попытками электродинамической интерпретации основных понятий механики, в частности понятия массы.

Сейчас, ретроспективно, эта попытка представляется только подготовкой теории относительности. Последняя несколько заслонила интересную полосу в истории физики. Но на рубеже девяностых и девятисотых годов попытка электродинамического понимания инерции и основ ньютоновой механики вообще казалась предельно смелой. Эта попытка сыграла важную историческую роль, она подвела науку вплотную к принципу относительности.

Еще в 1881 г. Дж.Дж. Томсон предположил, что инерция электромагнитного поля прибавляется к инерции тела и поэтому заряженное тело обладает большей массой, чем незаряженное. Разность между массой заряженного и незаряженного тела Томсон назвал "кажущимся приростом массы", а впоследствии она получила наименование электромагнитной массы. Вообще говоря, она зависит от скорости движения заряда; но если эта скорость незначительна по сравнению со скоростью света, то в этом случае электромагнитная масса приближается к предельному значению:

m = (4/3)(U/c²) где U – электростатическая энергия заряда.

Электронная теория положила начало новой полосе в развитии представлений об электромагнитной массе. Появилась крайне радикальная мысль о возможности свести всю массу элементарных частиц вещества – электронов к электромагнитной массе. Эта мысль в общем соответствовала имевшимся тогда сведениям о заряде, размерах и массе электрона. Впоследствии она стала еще более правдоподобной. Экспериментальные данные об отношении заряда электрона к его массе были получены при изучении отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Подобным же образом изучали поведение бета-лучей радия, т.е. электронов, движущихся с громадной скоростью, приближающейся к скорости света. Оказалось, что отношение заряда электрона к массе зависит от скорости. Заряд не меняется; значит, меняется масса электрона. Это легко понять, если масса электрона имеет электромагнитную природу. Чтобы получить количественные представления о зависимости электромагнитной массы от скорости, нужно знать распределение заряда в электроне. Абрагам в 1903 г. высказал предположение о твердом шарообразном электроне и равномерном распределении заряда по его объему либо по поверхности. Он вычислил вытекающую из такого предположения зависимость массы электрона от скорости, и результаты оказались близкими к экспериментальным данным. Вскоре появились гипотезы об электромагнитной природе всей массы не только электронов, но и атомов и вообще всех тел природы.

Успехи представления об электромагнитной ("полевой ") массе внушили надежду на полное физическое объяснение основных проблем классической механики. Почему тело, предоставленное самому себе, продолжает двигаться равномерно и прямолинейно в абсолютном пространстве? Каков физический смысл абсолютного пространства? В новой, электромагнитной картине мира эти "проклятые" вопросы уже не оставались без ответа. Инерция объясняется существованием эфира и происходящими в нем процессами, в результате которых ускорение тела требует затраты энергии. Нет нужды относить инерцию, как и ускорение, к абсолютному пространству в том смысле, какой ему придавал Ньютон. Абсолютное пространство приобретает вполне наглядный, физически конкретный вид неподвижного эфира.

Электронная теория была исходным пунктом двух революционных тенденций в физике XX столетия. Первая тенденция – разработка атомной физики, включавшая подготовку ядерной физики и физики элементарных частиц. Вторая тенденция, уже с самого начала угрожавшая классической картине мира, – пересмотр и новая интерпретация основных понятий макроскопической механики.

Об авторе