Новые открытия в физике

Так, создание парового двигателя значительно ускорило развитие теплотехники и соответствующих разделов физики. Изучение электричества и магнетизма было тесно связано с созданием электротехники и гальванопластики, с появлением первого телеграфа. Открытие фотографии повлекло за собой успехи в оптике.

Крупнейшими достижениями физической науки начала XIX века стали открытия дифракции, интерференции и поляризации света, что привело к утверждению волновой теории света. Начало было положено работами Т. Юнга по интерференции света (наложение двух лучей света друг на друга, в результате чего получается картина чередующихся светлых и темных полос). Следующий шаг был сделан французским ученым О. Френелем, в его работе по дифракции света (огибание светом препятствий). Таким образом, к середине XIX в. практически не осталось приверженцев корпускулярной теории света.

Не менее фундаментальные открытия произошли в области науки об электричестве и магнетизме. Еще Эрстед и Ампер в своих опытах доказали, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Их работы легли в основу нового раздела физики – электродинамики. Но подлинная революция в этой области физики была совершена английским ученым Майклом Фарадеем. Он открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита. Это произошло в 1831 г., после чего можно было говорить о появлении теоретической основы таких важнейших изобретений, как электродвигатель и электрогенератор.

М. Фарадей (1791–1867)

Исследуя электромагнетизм, Фарадей приходит к принципиально новым взглядам на природу материи. Изучая характер магнитных явлений, он находит все больше подтверждений тому факту, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Для него это не просто отталкивание или притяжение на расстоянии (именно так интерпретировались эти явления в соответствии с принципом дальнодействия). Он впервые говорит о роли среды (пространства) в этом процессе. Так, Фарадей закладывает основы новых полевых взглядов на материю, в соответствии с которыми исходным материальным образованием является поле, а не атом. В модели Фарадея атомы – лишь сгустки силовых линий поля, которое и распространяет взаимодействие между зарядами (атомами).

С этой точки зрения по-новому выглядела концепция эфира, широко распространенная в XIX веке. Она была продолжением волновой теории света Юнга, который предположил, что свет – это колеблющееся движение частиц эфира. Эфир понимался как вид в высшей степени разреженной и упругой материи. Правда, в связи с этим возникало несколько существенных вопросов. Первым был вопрос о характеристике волны света, является ли она продольной или поперечной. Если свет был продольной волной, то теорию эфира нужно было строить по аналогии с акустикой, изучающей звуковые колебания, и теорией газов. Если же свет был поперечной волной, то теорию эфира нужно было строить в соответствии с движениями волн в твердых телах. Вторым важным вопросом было, может ли эфир служить абсолютной системой отсчета для механического движения тел, или же он увлекается за движущимися телами.

Поиски ответов на эти вопросы имели очень большое значение для дальнейшего развития физики. Вначале был найден ответ на вопрос о природе световых волн. Они оказались поперечными. Это поставило физиков в тупик, так как поперечный характер световых волн означал, что эфир должен быть очень твердым телом. Но в экспериментах эфир никак не мешал движению тел. Ответ на второй вопрос физики пытались найти в течение всего XIX века, вплоть до появления специальной теории относительности А. Эйнштейна. Ведь если эфир можно было считать абсолютной системой отсчета, то тогда электрические, магнитные, оптические и механические процессы можно было связать в одно целое. Если же эфир увлекался движущимися телами, то он не был абсолютной системой отсчета, и значит, существовало взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях при отсутствии его в механических процессах.

Что касается самого понятия электромагнитного поля, заслуга по его выдвижению принадлежит Дж. Максвеллу, который первым обратил внимание на идеи Фарадея. Он же создал теорию электромагнитного поля в 1864 г., окончательно объединившую воедино электрические и магнитные явления. Согласно этой теории, каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости. Иными словами, поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. При этом взаимодействие между частицами происходит по фарадеевскому принципу близкодействия – взаимодействие передается полем от точки к точке с конечной скоростью. Это был новый, принципиально отличный от ньютоновского, взгляд на природу взаимодействия тел.

Теория Максвелла также объяснила, почему электромагнитные волны исключительно поперечны. Это было связано с тем, что векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Логическим продолжением этой теории стало также понимание света как разновидности электромагнитной волны, причем скорость распространения электромагнитных волн должна была равняться скорости света.

Эфир в этой концепции понимался как носитель электромагнитных волн, он считался неподвижным и был абсолютной точкой отсчета, отождествляясь с абсолютным пространством Ньютона. Но многочисленные эксперименты, пытавшиеся определить скорость Земли относительно эфира, провалились. Так что постепенно в физике возникали сомнения в существовании эфира. Становилось все яснее, что именно электромагнитное поле, а не эфир является особой формой материи, распространяющейся в пространстве.

Идея всеобщей связи и развития, представление о единстве различных типов физических процессов и их взаимного превращения находит свое место и в других разделах физики, в частности в теплофизике. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, превращение теплоты в работу – все это способствовало возникновению идеи о взаимопревращении энергии и в конечном счете привело к открытию первого начала термодинамики – закона сохранения энергии. Это открытие было сделано Т. Майером и Дж. Джоулем. Оно легло в основу принципа материального единства мира – фундамента новой научной картины мира.