Category: история

Category was added automatically. Read all entries about "история".

я толстовка темный фон

Реферат по истории науки. Часть 1

1 Основные этапы развития представлений о природе света

 

1.1 Представление о природе света в античные времена

 

Философы древности, размышлявшие о природе света, знали о зажигательных стеклах, о прямолинейном распространении света, о преломлении и отражении. Первые систематические описания оптических явлений, описания, о которых мы имеем некоторое представление, принадлежат греческим философам и математикам (Эмпедоклу (490?430 гг. до н.э.), Евклиду (300 г. до н.э.)).

Аристотель давал натурфилософскую интерпретацию света на основе метафизических понятий потенции и действия. Согласно ему прозрачное тело обладает «потенцией» для передачи света, но на самом деле оно не становится прозрачным, пока свет не пройдет через него и тем самым не приведет прозрачность в действие. Таким образом, Аристотель определял свет как «действие прозрачного тела в силу его прозрачности».

Аристотелевский взгляд на природу был общепринятым в течение длительного периода, главным образом благодаря стараниям служителей церкви, в особенности Св. Фомы Аквинского. Условием появления современной науки было освобождение от гнета философии Фомы. Это было сделано благодаря работе Уильяма Окамского, что привело к повсеместному отказу от средневековой философии, и явилось одним из факторов начала эпохи Возрождения.

 

1.2 Эпоха Возрождения: идеи Рене Декарта

 

Впервые попытку общего переосмысления идей, касающихся физической Вселенной, предпринял Рене Декарт (1596?1650 гг.). Именно с его работы началась настоящая история физики.

Декарт явился одним их основателей новой философии. Он сформулировал взгляд на природу света на основе метафизических представлений.

Декарт полагал, что основой всех вещей является примитивный, простейший, уникальный тип материи, безграничный по протяженности и бесконечно делимый. В процессе эволюции Вселенной из этой материи зародились три различные формы, соответственно относящиеся к светящейся материи Солнца, прозрачной материи межпланетного пространства и плотной непрозрачной материи Земли.

В своей книге Principia Декарт пишет: «Первая состоит из частиц, которые откололись от других частиц материи в процессе их округления; она движется с такой огромной скоростью, что при встрече с другими телами сила ее возбуждения такова, что эти тела разбивают ее на множество мелких частиц, форма которых позволяет им заполнить абсолютно все отверстия и небольшие щели вокруг этих тел.»

Согласно теории Декарта, Солнце является центром огромного вихря, образованного первым, или тончайшим, видом материи. В межпланетном пространстве свет переносит материя второго типа или элемент, состоящий из скопления плотно сгруппированных шаровидных частиц, размер которых находится между размером материи вихря и размером весомой материи. Шаровидные частицы второго элемента и вся материя первого элемента постоянно удаляются от центров своего вращения из-за центробежной силы вихрей, так что шаровидные частицы вынуждены двигаться наружу, хотя в действительности они так не двигаются. Именно передача этого давления и образует свет. Действие света, следовательно, простирается во все стороны вокруг Солнца и неподвижных звезд и мгновенно распространяется на любые расстояния. В Диоптрике видение сравнивается с восприятием предметов слепым человеком, которое он обретает с помощью своей трости. Передача давления по трости от объекта к руке аналогична передаче давления от объекта, излучающего свет, к глазу посредством материи второго типа.

Декарт предположил, что «многообразие цвета и света» происходит из-за различных видов движения материи. В книге Метеоры (Meteores) различие цветов связано с разными скоростями вращения шаровидных частиц, т.е. частицы, которые вращаются наиболее быстро, дают нам ощущение красного цвета, те, что помедленнее — желтого, а самое медленное вращение дает зеленый или голубой, причем порядок цветов соответствует расположению цветов радуги. Утверждение зависимости цвета от периодичности времени является любопытным предвестником великого открытия, которое еще долго оставалось неизвестным.

Таким образом, Декарт считал, что свет — это сжатие, распространяющееся в идеально упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство, а различие цветов он объяснил вращательными движениями частиц этой среды с различными скоростями.

Однако только после того, как Галилео Галилей (1564?1642 гг.), развивая механику, продемонстрировал мощь своего экспериментального метода, оптика получила прочную основу. Закон отражения был известен еще грекам; закон же преломления света был экспериментально установлен в 1621 г. Веллебродом Снеллиусом (1591?1626 гг.). В 1637 г. Пьер Ферма выдвинул свой знаменитый принцип наименьшего времени в следующей форме: «Природа всегда следует наикратчайшему пути». В соответствии с этим принципом свет распространяется по пути, требующему наименьшего времени; отсюда, а также из предположения о различиях в «сопротивлениях» разных сред вытекает закон преломления света. Принцип Ферма имеет огромное философское значение и в свое время породил множество споров, так как его истолкование не свободно от телеологических положений, чуждых естественным наукам.

1.3 Взгляд на природу света во времена Ньютона

 

Впервые явление интерференции, а именно возникновение разноцветной окраски тонких пленок (в настоящее время такая картина называется «кольцами Ньютона»), было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627?1691 гг.) и Робертом Гуком (1635?1703 гг.). Гук установил также наличие света в области геометрической тени, т.е. «дифракцию» света, однако это явление было замечено ранее Франциском Мария Гримальди (1618?1663 гг.). Гук был первым исследователем, который считал, что свет «состоит» из быстрых колебаний, распространяющихся мгновенно или с очень большой скоростью на любые расстояния, и что каждое колебание в однородной среде порождает сферу, радиус которой постоянно растет со временем. С помощью таких представлений Гук пытался объяснить явление преломления и дать интерпретацию цвета.

Однако природа цвета была выяснена только в 1666 г., когда Исаак Ньютон (1642?1727 гг.) обнаружил, что белый цвет с помощью призмы можно разложить на отдельные цветовые компоненты и что для каждого чистого цвета характерна своя степень преломления. Трудности, возникавшие в волновой теории при попытках  объяснить прямолинейное распространение света и явление поляризации (открытое Гюйгенсом) казались Ньютону настолько серьезными, что побудили его развить корпускулярную теорию (или теорию истечения), согласно которой свет распространяется от излучающего тела в виде мельчайших частиц.

Ко времени опубликования теории цвета Ньютона еще не было известно, распространяется ли свет мгновенно или нет. Конечность скорости света была обнаружена в 1675 г Олафом Рёмером (1644?1710 гг.) при наблюдениях за затмениями спутников Юпитера.

Волновая теория света была существенно улучшена и расширена Христианом Гюйгенсом (1629?1695 гг.). Он выдвинул принцип, названный позднее его именем, согласно которому каждую точку «эфира», до которой дошло световое возмущение, можно рассматривать как центр нового возмущения, распространяющегося в виде сферической волны. Эти вторичные волны комбинируются таким образом, что их огибающая определяет волновой фронт в любой последующий момент времени. С помощью этого принципа Гюйгенсу удалось вывести законы преломления и отражения света. Он также объяснил двойное лучепреломление в исландском шпате (открытое в 1669 г. Эразмом Бартолинусом (1625?1698 гг.)), предположив, что при прохождении света через кристалл возникает, кроме первичной сферической, вторичная эллипсоидальная волна. В процессе своего исследования Гюйгенс обнаружил чрезвычайно важное явление, а именно явление поляризации: он показал, что каждый из двух лучей, возникающих после прохождения света через кристалл исландского шпата, можно погасить, пропуская его через второй такой же кристалл и вращая последний относительно направления луча.

Но объяснить поляризацию удалось только Ньютону: он предположил, что лучи имеют «стороны», и именно признание подобной «поперечности» света казалось ему непреодолимым возражением против волновой теории, поскольку ученым в то время были известны только продольные волны (из учения распространения звука).

Отрицание волновой теории таким авторитетом, как Ньютон, привело к ее полному забвению в течение почти столетия.

 

1.4 Принятие волновой теории

 

Только в начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, приведшие к полному признанию волновой теории. Первым шагом в этом направлении послужило объяснение интерференции, выдвинутое в 1801 г. Томасом Юнгом (1773?1829 гг.), а также цветов тонких пленок. Однако, поскольку идеи Юнга были развиты в основном лишь качественно, они не получили общего признания.

Примерно в это же время Этьен Луи Малюс (1775?1812 гг.) обнаружил поляризацию света при отражении. Наблюдая через кристалл исландского шпата отражение Солнца в оконном стекле, он заметил, что при вращении кристалла вокруг линии зрения относительные интенсивности двух изображений, возникающих благодаря двойному лучепреломлению, изменяются.

Тем временем в работах Пьера Симона де Лапласа (1749?1827 гг.) и Жана-Батиста Био (1774?1862 гг.) развивалась далее корпускулярная теория. Её сторонники предложили считать объяснение дифракции достойным премии, учрежденной на 1818 г. Парижской Академией наук, надеясь, что исследования в этой области полностью подтвердят корпускулярную теорию. Однако их надежды не оправдались — несмотря на сильное сопротивление, премия была присуждена Августину Жаку Френелю (1788?1827 гг.), исследование которого основывалось на волновой теории и явилось первым из серии работ, полностью развенчавших в течение нескольких лет корпускулярную теорию. Сущность его исследования состояла в синтезе идеи Гюйгенса о построении волнового фронта как огибающей сферических волн и принципа интерференции Юнга. Этого, как показал Френель, оказалось достаточно для объяснения не только «прямолинейности» распространения света, но и небольших отклонений от «прямолинейности», т.е. явления дифракции. Френель решил задачи о дифракции на крае, небольших отверстиях и на экране; наиболее убедительным оказалось экспериментальное подтверждение Араго предсказания, выведенного Пуассоном из теории Френеля и состоявшего в том, что в центре тени от круглого диска должно находиться светлое пятно.

В том же году (1818 г.) Френель занялся весьма важной проблемой влияния движения Земли на распространение света, а именно попытался выяснить, существует ли какое-нибудь различие между светом от звезд и светом от земных источников. Доменик Франсуа Араго (1786?1853 г.) экспериментально обнаружил, что (помимо абберации) никакого различия нет. На основании этих наблюдений Френель создал теорию о частичном увлечении светового эфира движущимися телами, теорию, которая была подтверждена в 1851 г. прямыми измерениями Армандом Иполитом Луи Физо (1819?1896 г.). Вместе с Араго Френель исследовал интерференцию поляризованных лучей света и обнаружил (в 1816 г.), что лучи поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют. Этот факт нельзя было согласовать с общепринятым тогда предположением о продольности световых волн. Юнг, узнавший об этом открытии от Араго, нашел в 1817 г. разгадку возникшего противоречия, предположив, что световые колебания поперечны.

Френель, сразу же оценив всю важность такого предположения, попытался подтвердить его, исходя из более надежной динамической основы, и вывел из него много следствий. Так, поскольку в жидкости могут существовать, только продольные волны, эфир должен вести себя как твердое тело, однако в то время теория упругих волн в твердых телах еще не была сформулирована. Вместо создания такой теории и вывода из нее следствий для оптики Френель «обернул» задачу и попытался выяснить свойства светового эфира из наблюдений. Он начал с изучения необычных законов распространения света в кристаллах; выяснение этих законов и сведение их к нескольким простым предположениям о природе элементарных волн является одним из важнейших достижений естественной науки. В 1832 Вильям Гамильтон (1805?1865 гг.), сам внесший большой вклад в развитие оптики, обратил внимание на важное следствие, вытекающее из теории Френеля, а именно на возможность существования конической рефракции, которое была экспериментально обнаружена вскоре после этого Хамфри Ллойдом (1800?1881 гг.).

Френель также первый сделал предположение (1821 г.), развитое позднее Коши, что для выяснения причины дисперсии необходимо учитывать молекулярную структуру вещества.

Динамические модели механизма колебаний эфира привели Френеля к законам (носящим теперь его имя), которые дают интенсивность и поляризацию световых лучей после преломления и отражения.

Работа Френеля столь надежно обосновала волновую теорию, что казалось совершенно излишним проведение контрольного эксперимента, впервые предложенного Араго, который был осуществлен в 1850 г. Фуко и Физо и Бреже.

Корпускулярная теория объясняет преломление как притяжение световых частиц на границе двух сред оптически более плотной средой, откуда вытекает, что скорость света в более плотной среде больше, волновая же теория согласно Гюйгенсу, дает меньшую скорость света в оптически плотной среде. Непосредственно измерение скорости света в воздухе и в воде полностью подтвердило вывод волновой теории.

В последующие десятилетия была развита теория упругого эфира. Первым шагом в этом направлении явилось создание теории упругости для твердых тел. Она была сформулирована Клодом Луи Мария Анри Навье (1785?1836 гг.), предположившим, что вещество состоит из бесчисленного количества частиц (точечных масс, атомов), взаимодействующих друг с другом вдоль линии, соединяющей пары частиц. Августину Луи Коши (1789?1857 гг.) принадлежит привычный теперь вывод уравнений упругости для сплошной среды, Из других ученых, принимавших участие в развитии теории оптики, следует упомянуть Симона Дени Пуассона (1781?1840 гг.), Джорджа Грина (1793?1841 гг.), Джеймса Маккалаха (1809?1847 гг.) и Франца Неймана (1798?1895 гг.).

Следует отметить следующий факт, что трудности, с которыми они сталкивались, были связаны с требованием, чтобы оптические явления можно было описывать в рамках механики. В качестве примера можно привести следующее явление: рассмотрим две соприкасающиеся упругие среды и предположим, что в первой среде в направлении границы раздела распространяется поперечная волна. Согласно законам механики эта волна расщепится во второй среде на две: продольную и поперечную. Однако из экспериментов Араго и Френеля следует, что продольной упругой волны не должно быть. Разрешить это противоречие невозможно, не нарушая законов механики, содержащихся в граничных условиях для напряжений и натяжений. Различные теории, предложенные упомянутыми выше авторами, отличались друг от друга предполагаемыми граничными условиями, которые всегда оказывались несовместимыми с законами механики.

Первый шаг на пути отхода от теории упругого эфира был сделан Маккалахом, постулировавшим существование среды со свойствами, которыми обычные тела не обладают. Последние накапливают энергию при деформации элементов объема, при вращении же накопления энергии не происходит. В эфире Маккалаха имеет место обратная ситуация. Законы распространений волн в такой среде весьма сходны с законами, вытекающими из уравнения Максвелла (для электромагнитных волн), которые являются основой современной оптики.

Несмотря на множество трудностей, теория упругого эфира доминировала в течение длительного времени, и многие выдающиеся физики XIX века внесли свой вклад в ее развитие. Кроме уже отмеченных ученых, необходимо упомянуть Вильяма Томсона (лорд Кельвин, 1824?1908 гг.), Карла Неймана (1832?1925 гг.), Джона Вильяма Стрэтта (лорд Рэлей, 1842?1919 гг.) и Густава Кирхгофа (1824?1887 гг.). За это время были решены многие оптические проблемы, однако объяснение основ оптики оставалось неудовлетворительным.

 

1.5 Создание классической волновой теории излучения

 

В это же время практически независимо от оптических работ проводились исследования по электричеству и магнетизму, увенчавшиеся открытиями Майкла Фарадея (1791?1867 гг.). Джеймсу Кларку Максвеллу (1831?1879 гг.) удалось подытожить все имевшиеся знания в этой области, сформулировав систему уравнений; наиболее важным их следствием оказалась возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью, величину которой можно вычислить из результатов чисто электрических измерений. Когда Рудольф Кольрауш (1809?1858 гг.) и Вильгельм Вебер (1804?1891) выполнили эти измерения, скорость электромагнитных волн совпала со скоростью света. Отсюда Максвелл заключил, что свет представляет собой электромагнитные волны; его заключение было экспериментально подтверждено в 1888 г. Генрихом Герцем (1857?1894 гг.). Несмотря на это, электромагнитная теория Максвелла выдержала длительную борьбу, прежде чем получила всеобщее признание. В течение длительного времени Максвелл и его последователи безуспешно пытались описать электромагнитное пате с помощью механических моделей. Только потом, когда идеи Максвелла стали более привычными, ученые постепенно оставили попытки «объяснения» его уравнений на основе механики.

 

1.6 Квантовая теория

 

Со временем электромагнитная теория света достигла границ, за которыми она стала неприменимой. Она способна объяснить в общих чертах все явления, связанные с распространением света. Однако она не смогла описать процессы излучения и поглощения, которые определяются более тонкими особенностями взаимодействия вещества с оптическим полем.

Законы, управляющие этими процессами, являются предметом исследования современной оптики, даже более того,— современной физики. Их история начинается с открытия некоторых закономерностей в спектрах. Первым было открытие (в 1814?1817 гг.) темных линий в солнечном спектре Джозефом Фраунгофером (1787?1826 гг.), названных его именем, и их интерпретация как линий поглощения, данная в 1861 г. на основе экспериментов Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811?1899 гг.) и Густавом Кирхгофом (1824?1887 гг.). Солнечный свет, обладающий непрерывным спектром, проходя через более холодные газы солнечной атмосферы, поглощается в атмосфере именно на тех длинах волн, которые излучают сами газы. Это открытие положило начало развитию спектрального анализа, в основе которого лежит утверждение, что все газообразные химические элементы обладают характерным линейчатым спектром. Изучение этих спектров было и остается главной задачей физических исследований; поскольку в таких экспериментах свет является предметом исследования, и используются оптические методы, спектральный анализ рассматривается иногда как часть оптики. Однако вопрос об излучении и поглощении света атомами относится не к одной только оптике, так как в него входит и механика самого атома; спектральные закономерности раскрывают не столько природу света, сколько структуру излучающих частиц. Таким образом, спектроскопия из части оптики постепенно превратилась в самостоятельную дисциплину, дающую экспериментальное обоснование атомной и молекулярной физике.

Что касается методов, то со временем стало ясно, что классическая механика не в состоянии дать правильное описание явлений, происходящих внутри атомов, и ее следует заменить квантовой теорией, история которой началась в 1900 г. с работы Макса Планка (1858?1947 гг.). Применив эту теорию к атому, Нильсу Бору (1885?1962 гг.) удалось в 1913 г. объяснить простые закономерности в линейчатых спектрах газов. На основе этих первых работ и все возрастающего количества экспериментальных данных развилась современная квантовая механика (Гейзенберг, Борн, Иордан, де Бройль, Шредингер, Дирак). С ее помощью удалось существенно увеличить наши познания о структуре атомов и молекул.

Квантовая теория оказала сильное влияние на наши представления о природе света. Даже в своей первоначальной форме (в теории Планка) квантовая теория содержала предположение, полностью противоречащее классической физике, а именно предположение, что колебательная электрическая система передает свою энергию электромагнитному полю не непрерывно, а лишь конечными порциями, или «квантами» с энергией ?=h?, где ? — частота света, h=6,626•10-34 Дж•с — постоянная Планка.

Прошло довольно много времени, прежде чем физики полностью осознали парадоксальный, почти иррациональный смысл уравнения Планка ?=h?. Заслуга в этом принадлежит в основном Эйнштейну и Бору. В 1905 г. Эйнштейн (1879?1955 гг.) на основании теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, предположив, что планковские кванты энергии существуют в виде реальных частиц света, названных им световыми квантами, или фотонами. Таким образом, ему удалось объяснить некоторые явления, открытые ранее в связи с превращением энергии света в энергию частиц и необъяснимые с помощью волновой теории. Главными среди них являются так называемый фотоэлектрический эффект и фотохимические эффекты. В явлениях такого рода не происходит передачи отдельной частице энергии, пропорциональной интенсивности света, как этого требует волновая теория, а свет скорее напоминает мелкий град. Энергия, сообщенная вторичным частицам, не зависит от интенсивности света, а определяется лишь его частотой (в соответствии с законом ?=h?).

Из года в год росло число наблюдений, подтверждавших это свойство света, в результате чего сложилась ситуация, когда пришлось признать справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света, причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая — фотоэлектрическим эффектом, в настоящее время подобная ситуация называется корпускулярно-волновым дуализмом. Только в самое последнее время развитие квантовой механики позволило частично объяснить такую двойственную природу света, причем для этого пришлось отказаться от основного принципа старой физики, а именно, от принципа детерминированной причинности.