Важнейшие открытия для развития цивилизации

     Зеркала  Лебедева  имели  высоту  20  мм,  а  эбонитовая  призма  для  исследования  преломления  электромагнитных  волн  была  высотой  1,8 см, шириной 1,2 см и весила около 2 г. Напомним, что  призма Герца для этой же цели весила 600 кг. Миниатюрные приборы Лебедева всегда вызывали восхищение  физиков-экспериментаторов,  а  задача  уменьшения  размеров различных  приборов  и  схем  в  настоящее  время  является  одной  из важнейших, стоящих перед  учеными и конструкторами.

     Электромагнитную  теорию  Максвелла  экспериментально  впервые доказал  Г. Герц,  открыв  электромагнитные  волны.  Это  открытие  Герца привлекло  к  себе  внимание  самых широких  слоёв  общества. Именно  в  этот период  многие  сразу  же  высказали  идею  о  возможности  беспроволочной связи с помощью "лучей Герца". В списке учёных, решавших эту задачу, на первом месте стоит имя профессора А. С. Попова (1859–1905).

     После  открытия  Герца,  Попов  увлекся  электромагнитными  волнами.

     Читая  в  1889 г.  в Минных  классах  цикл  лекций  "Новейшие  исследования  о соотношении  между  световыми  и  электрическими  явлениями",  А.С.  Попов сопровождал их демонстрациями. Это имело огромный успех, и А.С. Попову было предложено повторить этот цикл в Петербурге в Морском музее. Уже в ом  цикле  Попов  высказывает  мысль,  что  опыты  и  работы  Герца представляют большой интерес  не только в строго научном плане, но также и в возможности их применения для беспроволочной передачи сигналов.

     7 мая  1895  г. на  заседании  Русского физико-химического   общества А.С. Попов  демонстрировал  сконструированный  им  прибор  для  приема  и регистрации  электромагнитных    колебаний.  В  1899–1900  гг.  радиотелеграф   А.С. Попова оказался незаменимым  средством и  сыграл  свою  первую  практическую роль  при   снятии  с  камней  броненосца "Генерал-адмирал  Апраксин", потерпевшего  аварию  в  районе  о. Гогланда.  События  тех   дней  заставили воспользоваться телеграфом А.С. Попова и еще в одном важном деле. На льдине в море  были  унесены  рыбаки.  Их  жизнь зависела  от  оперативности  спасательной службы.  Приказ  ледоколу  "Ермак", находящемуся  в  море,  был  передан  по беспроволочной  связи.  Рыбаки  были спасены.  Так  всем  стала  очевидна огромная польза этого изобретения.

     В XIX и начале XX в. наука вступила в  свой золотой век.

     Во  всех  ее  важнейших  областях произошли  удивительные  открытия,  широко  распространилась  сеть институтов  и  академий,  организованно  проводивших  специальные  исследования  различного  рода,  на  основе  соединения  науки  с  техникой чрезвычайно  быстро  расцвели  прикладные  области.  Оптимизм  этой  эпохи  был  напрямую  связан  с  верой  в  науку,    ее  способность  до  неузнаваемости преобразить  состояние  человеческого  знания,  обеспечить  здоровье  и благосостояние людей.

     Сложившаяся  ситуация  в  науке  и  мировоззрении  требовала  своего разрешения. Оно  появилось в  ходе   новейшей революции  в  естествознании, начавшейся  с 90-х гг. XIX в. и продолжавшейся до середины XX в. Это была глобальная  научная  революция,    по  своим  результатам    и  значению сравнимая  с  революцией  XVI–XVII  вв.  Она  началась  в  физике,  затем  проникла  в  другие  естественные  науки,  кардинально  изменила  философские, методологические,  гносеологические,  логические  основания  науки  в  целом, создав феномен  современной науки.

     Начало 20 века

     Развитие  электронной теории

       Идея  атомарного  строения  электричества   вытекала  из  законов электролиза  Фарадея, на что в свое время  обратил внимание и сам Фарадей,  указывая,  что  "атомы  тел,  эквивалентные  друг  другу   в  отношении  их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".

     Максвелл  в своем "Трактате об электричестве  и магнетизме" тоже говорит о "молекуле электричества", но считает, что "теория молекулярных зарядов" хотя и "служит для выражения большого числа фактов электролиза", однако является временной и будет отброшена, как только на основе поля появится теория электрического тока.

     В 1875 г. голландский физик Г.А. Лоренц в своей докторской диссертации "К  теории  отражения  и  преломления  лучей  света"  объясняет  изменение скорости света  в среде влиянием ее заряженных частиц. Лоренц считает, что теория Максвелла  нуждается  в  дополнении,  так  как  в  ней  не  учитывается  структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэффициентами:  диэлектрической  и  магнитной  проницаемостью, проводимостью. "Но мы не можем удовлетвориться  простым введением для каждого  вещества  этих  коэффициентов,  значения  которых  должны определяться  из  опыта. Мы  будем  принуждены  обратиться  к  какой-нибудь гипотезе  относительно  механизма,  лежащего  в  основе  этих  явлений.  Эта  необходимость и привела к  представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически  заряженных  частицах,  которые  в  громадном  количестве присутствуют во всех весомых  телах", − писал Лоренц.

     В  начале  XX  в.  работами  немецкого  физика  П.  Друде  (1863–1906)  и  Г. Лоренца была  создана  электронная  теория металлов, позволившая получить теоретически многие ранее открытые  законы: Ома, Джоуля − Ленца и др.

     Эта теория была построена на следующих  положениях.

     1.  В  металле  есть  свободные   электроны  −  электроны проводимости,

     образующие  электронный газ, аналогичный по своим свойствам идеальному.

     2.  Остов  металла  образует  кристаллическая  решетка,  в   узлах  которой 

     находятся ионы.

     3. При своем движении электроны  сталкиваются с ионами.

     4.  При  наличии  электрического  поля  электроны  приходят  в 

     упорядоченное движение под действием сил поля.

     В результате  работ Дж. Томсона  был  открыт  электрон  и  определен  его удельный заряд. Однако  ни заряд, ни масса  электрона отдельно еще  не были известны.  Нужны  были  новые эксперименты для определения этих фундаментальных  величин. Первыми  наиболее  точными  из  них  следует назвать опыты американского физика Р. Милликена (1868–1953) в 1909–1914 гг.  Идея  этих  опытов  сводилась  к  наблюдению  за  падением  заряженной капли масла в однородном поле плоского конденсатора.

     В результате многочисленных экспериментов  с использованием масляных капель различного веса и при разных условиях Милликен  заключил, что в каждом  случае  заряд  капли  изменялся  на  величину,  равную  или  кратную  значению некоторого основного заряда е — заряда электрона. Эти опыты  не только явно доказывали дискретность электрического заряда, но и позволили  определить его наименьшую величину. Подобные опыты были проведеныразными учеными, в том числе и академиком А. Ф. Иоффе. Опыт Иоффе был сходен  с  опытом  Милликена,  но  вместо  капель  масла  использовались металлические  пылинки.  В  результате  всех  этих  опытов  в  физике  были установлены важнейшие физические константы:  заряд  электрона  е = –1,60  · 10–19

       Кл,  масса  электрона  me = 9,1 · 10–31

       кг.  Еще  в  1902  г.,  определяя  отношение  е/m  для  электрона,  Кауфман  обнаружил,  что   оно  не  является постоянной  величиной,  а  зависит  от  скорости  частиц.  Работая   с  β-лучами (поток быстрых электронов) и действуя на них электрическим  и магнитным полем,  Кауфман   обнаружил,  что  e/m  уменьшается   с  ростом  скорости.  Из этого   следовало,  что  с  ростом  скорости  электрона  либо  уменьшается  его заряд, либо  увеличивается его масса. 

     Для  объяснения  этого  и  ряда  других  явлений  в  этот  период  создаются различные  гипотезы.  Справедливость  одних  и  ошибочность  других  были установлены  новыми  экспериментами  и  специальной  теорией относительности (СТО).

     Создание  А. Эйнштейном специальной  теории относительности 

     В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и  гипотезы  о  неподвижном  эфире  выводит  уравнения  электромагнитного поля  для  движущихся  сред  [6].  И  делает  очень  важный  вывод:  никакие оптические  и  электромагнитные  опыты,  проведенные  в  равномерно  и прямолинейно  движущейся  системе  отсчета,  не  в  состоянии  обнаружить этого  движения.  Таким  образом,  Лоренц  сформулировал  принцип  относительности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое  он заслуживал.

     Дальнейшее  развитие  электродинамики  движущихся  сред  принадлежит французскому математику Анри Пуанкаре (1854–1912). Именно он в 1900 г. на Парижском  конгрессе  физиков  порицал  Лоренца  за  недооценку  им принципа  относительности,  считая  его,  со  своей  стороны,  общим  законом природы.  Отрицательный  результат  опыта  Майкельсона,  по  мнению Пуанкаре,  как  раз  и  является  выражением  этого  закона. В  1904  г.,  называя принцип  относительности  в  числе  основных  принципов  физики,  Пуанкаре отмечает,  что  "законы  физических  явлений  будут  одинаковыми  как  для  покоящегося наблюдателя, так и  для наблюдателя, находящегося в  состоянии равномерного прямолинейного  движения,  так  что мы не имеем  и не можем иметь  никаких  средств,  чтобы  различить,  находимся мы  в  таком  движении или нет".

     Так  принцип  относительности,  сформулированный  Галилеем  для механических  явлений  в  начале  XX  в.,  был  распространен  на  любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние  принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что  скорость распространения сил тяготения  должна равняться скорости света.

     Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для  появления  теории  относительности.  Однако,  развивая  электродинамику  и стремясь объяснить опыты, они  опирались на концепцию  эфира. Подойдя  к принципу относительности, они  не смогли поставить вопрос о постоянстве  и, особенно,  о  предельном  значении  скорости  света.  Это  и  было  сделано  А.

     Эйнштейном  (1879–1955). Основополагающая  работа Эйнштейна  по  теории относительности  называлась  "К  электродинамике  движущихся  сред".  Она поступила  в  редакцию  журнала  "Анналы  физики"  30  июня  1905  г.  Работа состояла  из  двух  частей.  В  первой  из  них  были  изложены  основы  новой теории  пространства  и  времени,  во  второй  −  применение  этой  теории  к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата.

     1.  Принцип  относительности   —  в  любых  инерциальных  системах  все физические процессы: механические, оптические, электрические  и другие — протекают одинаково. 

     2. Принцип  постоянства  скорости  света —  скорость  света   в  вакууме  не зависит  от движения источника и приемника,  она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах  и равна 3 · 108 м/с. 

     В  1907  г.  выходит  новая  работа  А.  Эйнштейна  "О  принципе относительности  и его следствиях". В ней  автор вновь говорит о связи  массы и  энергии  и  для проверки  этого  соотношения  обращается  к  радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы  на известных в то время радиоактивных  превращениях нужно знать атомные  массы элементов с точностью  до  пятого  знака. Эйнштейн  писал:  "Это,  конечно,  недостижимо.

     Однако  не  исключено,  что  будут  открыты  радиоактивные  процессы,  в которых  в  энергию  радиоактивных  излучений  превращается  большая  часть  ассы исходного атома, чем в случае радия". 

     Очень  интересна  последняя  часть  работы,  где  ставится  вопрос  о распространении  принципа  относительности  на  системы,  движущиеся  с ускорением.  Именно  здесь  впервые  появился  принцип  эквивалентности, согласно которому инертная масса тела равна  его гравитационной массе или, что  то же  самое,  силы  гравитации физически  эквивалентны  силам  инерции.

     На  основе  этого принципа Эйнштейн исследует  влияние  гравитации на  ход часов  и  распространение  света.  Он  делает  вывод,  что  любой  физический

     процесс  протекает  тем  быстрее,  чем  больше  гравитационный  потенциал  в области, где разыгрывается  этот процесс, и что световые лучи искривляются в гравитационном  поле.  Итак,  в  1907 г.  Эйнштейн  закладывает  первые основы  общей  теории  относительности  (ОТО),  над  разработкой  которой  он неустанно работал 10 лет. Теория же, созданная им в 1905 г., в которой  принцип относительности был  сформулирован только для инерциальных систем, получила название специальной (частной) теории относительности (СТО).