Гістарычная эвалюцыя класічных прыродазнаўчых уяўленняў пра святло

У другой палове ХІХ ст. была створаная малекулярна-кінетычная інтэрпрэтацыя класічнай тэрмадынамікі. Згодна з гэтай інтэрпрэтацыяй матэрыя складаецца з часцінак (малекул), якія бесперапынна рухаюцца. Кожная макраскапічная сістэма змяшчае велізарнае іх мноства. Таму ў малекулярна-кінетычнай тэорыі выкарыстоўваецца статыстычны метад апісання тых з’яў, што даследуюцца ёю. У статыстычным рэчышчы былі пераасэнсаваныя ў ёй і асновы тэрмадынамікі.

Такім чынам, перадумовы класічнай тэрмадынамікі выспявалі ў ХVII – напачатку ХІХ стст. найперш праз эмпірычныя даследаванні. Важная роля ў гэтым плане належала вынаходству і ўдасканаленню тэрмометра, якое зрабіла магчымымі дакладныя вымярэнні пры вывучэнні цеплавых з’яў. Распрацоўка асноў тэрмадынамікі была звязаная найперш з вывучэннем цеплавых рухавікоў. У яго выніку была зробленая выснова пра адмысловы статус цеплыні сярод прыродных феноменаў: яна няздольная цалкам і поўнасцю ператварыцца ў механічную работу, у той час як механічная работа можа быць цалкам трансфармаваная ў цеплыню. Надзвычай важнае значэнне для станаўлення тэрмадынамікі мела адкрыццё закона захавання энергіі: у згаданых трансфармацыях, як і ва ўсякіх іншых, агульная колькасць энергіі не мяняецца, энергія не ўзнікае з нічога і не ператвараецца ў нішто. Дадзены закон фігуруе як падстава для фундаментальна важнага палажэння дадзенага раздзелу фізікі, згодна з якім колькасць цеплыні, перададзеная сістэме, эквівалентная змяненню яе ўнутранай энергіі і рабоце, якую яна выконвае супраць вонкавых сіл (першы пачатак тэрмадынамікі). Згодна з другім яго прынцыпам колькасць няздольнай да трансфармацыі ў карысную механічную работу цеплавой энергіі ў закрытай сістэме не можа паніжацца (другі пачатак тэрмадынамікі). У якасці меры гэтай няздольнасці фігуруе спецыяльная велічыня, названая энтрапіяй.

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Прааналізуйце гісторыю станаўлення і развіцця класічнай тэрмадынамікі. Якія яе моманты падаюцца Вам найбольш цікавымі? Ці не выяўляецца ў ёй пэўная ўнутраная логіка?

2. Як Вы патлумачыце факт наяўнасці касмалагічных імплікацый у складзе класічнай тэрмадынамікі?

3. Калі на аснове другога пачатку тэрмадынамікі паўстала гіпотэза “смерці” Сусвету, дык ці не можа ён фігураваць і як падстава для навуковай тэматызацыі яго “нараджэння”? На думку К.Ф.фон Вайцзэкера, пэўныя развагі ў дадзеным кірунку цалкам дапушчальныя, хоць праблема і не з’яўляецца зусім выразнай [88, c.29-30]. Тым не менш паспрабуйце прааналізаваць яе з пункту гледжання класічнай тэрмадынамікі.

4. Наколькі ўдалым падаецца Вам выраз “фенаменалагічная тэрмадынаміка”? Магчыма, Вы маглі б прапанаваць альтэрнатыўны варыянт для абазначэння адпаведнай навуковай тэорыі?

5. У натурфіласофскім плане другі пачатак тэрмадынамікі выкарыстоўваецца для абгрунтавання анізатрапіі часу [46, т.10,c.1173]. Наколькі моцным і слушным падаецца Вам такое абгрунтаванне?

Оптыка – гэта раздзел фізікі, у якім вывучаецца святло, яго ўзнікненне, распаўсюджванне і ўзаемадзеянне з іншымі прыроднымі з’явамі. Звычайна адрозніваюць геаметрычную і фізічную оптыку: у геаметрычнай дапускаецца, што святло распаўсюджваецца прамалінейна, пераламляючыся ці адлюстроўваючыся ад пэўных паверхняў, а фізічная звязаная найперш з уяўленнем пра яго як пра хвалю.

У ХVІІ ст. – дзякуючы працам І.Кеплера – святло займае належнае месца ў коле прыродных з’яў, што даследуюцца навукай сучаснага тыпу. Важным яе дасягненнем была спецыялізацыя ў разглядзе дадзенай з’явы, у выніку якой “фізічная оптыка набыла сваю аўтаномію”, выразна выявіўшы спецыфіку ўласцівага ёй запытвання ў дачыненні да фізіялогіі [26, c.596]. Як і ў шматлікіх іншых сферах прыродазнаўчых даследаванняў, у вывучэнні святла ў гэты час дамінаваў механічны падыход, асновы якога былі закладзены Р.Дэкартам. Таму “развіццё фізічных тэорый святла ў XVII cт. найчасцей звязана з пабудовай механічных мадэляў: як выключна з дапамогай паняццяў механічнай фізікі растлумачыць вядомыя ўласцівасці святла, такія як прамалінейнае распаўсюджванне, адлюстраванне, пераламленне ці ўзнікненне колераў?” [26, с.596]. Сам Дэкарт меркаваў, што крыніцай святла з’яўляецца вібрацыя матэрыяльных часцінак і што яно распаўсюджваецца бясконца хутка ва ўласным празрыстым асяроддзі, запавольваючы свой рух у іншай матэрыяльнай стыхіі [78, c.496].

Інтэнсіўныя даследаванні адпаведных фізічных праблем дазволілі распрацаваць альтэрнатыўныя (альтэрнатыўныя адна адной і ўзятыя разам – картэзіянскай оптыцы) канцэпцыі святла, якія спаборнічалі паміж сабой у працэсе далейшага развіцця навукі, – карпускулярную (І.Н’ютан) і хвалевую (К.Гюйгенс). Іх распрацоўка грунтавалася на дастаткова паспяховым эксперыментальным вывучэнні дадзенай з’явы. Сярод вынікаў эксперыментальных аптычных даследаванняў, праведзеных у другой палове ХVІІ cт., гісторыкі навукі вылучаюць дакладнае апісанне пераламлення святла ў празрыстым асяроддзі [78, c.495-496], (хутчэй недакладнае[64]) вызначэнне яго хуткасці і адкрыццё яго дыфракцыі [26, с.596]. Адносна вызначэння хуткасці святла неабходна дадаць, што гэты эксперыментальны вынік, нягледзячы на сваю недакладнасць, пераканаўча сведчыў пра памылковасць пашыранага на той час уяўлення пра імгненнае яго распаўсюджванне. Усведамленне гэтай памылковасці было надзвычай важным для далейшага развіцця оптыкі (і фізікі ўвогуле).

Істотныя поспехі, дасягнутыя ў эксперыментальным вывучэнні святла, паставілі пад пытанне наяўныя тэарэтычныя мадэлі і падштурхнулі навукоўцаў да пошуку новых падыходаў і рашэнняў. Як было падкрэслена вышэй, пагрунтаваная на прынцыпе карпускулярызму тэорыя была прапанаваная Н’ютанам. Яна была выкладзеная ўпершыню ў 1672 годзе. У поўнай і дакладнай форме навуковец сфармуляваў яе ў сваёй знакамітай “Оптыцы”, якая выйшла ў свет у 1704 г. Дадзеная тэорыя грунтавалася на ўласных эксперыментальных даследаваннях Н’ютана, у выніку якіх ён адкрыў поліхраматычны характар святла[65] і якія істотным чынам паспрыялі яе поспеху [78, c.499]. Яе прынцыповая тэза даводзіць, што святло ўяўляе сабой плыню часцінак, якія сыходзяць з яго крыніцы і дасягаюць у канчатковым выніку нашых вачэй. Згаданая тэорыя проста і элегантна растлумачвала такія ўласцівасці дадзенага феномена, як прамалінейнае распаўсюджванне з пэўнай, неімгненнай хуткасцю, адлюстраванне. У іншых яго аспектах, аднак (у выпадку інтэрферэнцыі, напрыклад), “яна заставалася па сутнасці нядзейснай” [26, c.597].

Аналагічная сітуацыя мела месца, аднак, і ў выпадку другой уплывовай канцэпцыі ў оптыцы таго часу – хвалевай, найбольш яскрава і поўна ўвасобленай у навуковай творчасці К.Гюйгенса. Яна цудоўна тлумачыла вынікі шмат якіх эксперыментаў і пасавала перад іншымі. (Гюйгенс бліскуча патлумачыў, напрыклад, з’яву падвойнага пераламлення святла – яна назіраецца пры яго праходжанні праз анізатропнае асяроддзе. А вось прамалінейнае яго распаўсюджанне і феномен дысперсіі заставаліся для навукоўца непасільнымі [26, c.598; 78, c.497].) Згодна з гэтай канцэпцыяй святло ўяўляе сабой серыю хваляў, якія распаўсюджваюцца з надзвычай вялікай, але не бясконцай хуткасцю ў нябачнай субстанцыі – эфіры. (Вытанчаная субстанцыя старажытных не знікла, такім чынам, з навукі ў працэсе яе рэвалюцыйных пераўтварэнняў, хоць эмпірычных падстаў для дапушчэння яе існавання не было. Толькі напачатку ХХ ст. спецыяльная тэорыя адноснасці радыкальна і паслядоўна адмовілася ад гэтага ўяўлення, зрабіўшы яго чыста гістарычным фактам.) У адрозненне ад Н’ютана[66],значыцца, Гюйгенс у сваёй тэорыі надаваў самае істотнае значэнне для разумення святла асяроддзю, у якім яно распаўсюджваецца.

На працягу ХVIII cт. у оптыцы дамінавала карпускулярная канцэпцыя Н’ютана. А вось ХІХ ст. прайшло пад знакам хвалевай канцэпцыі. Ужо на яго пачатку англійскі навуковец Т.Юнг (1773-1829) звярнуўся да ідэі хвалевай прыроды святла, грунтуючыся на прынцыпе інтэрферэнцыі (адкрытым ім пры даследаванні гукавых хваль). Наступны важны крок на шляху да сцвярджэння згаданай ідэі ў навуковым асяродку быў зроблены французскім фізікам і інжынерам А.Фрэнэлем (1788-1827), адпаведныя працы якога надзвычай высока ацэньваюцца гісторыкамі навукі [77, c.618]. Сапраўды, у сваіх аптычных даследаваннях ён дасягнуў бліскучых вынікаў і ў тэарэтычным, і ў эмпірычным плане (да яго заслуг належаць дакладная матэматычная фармулёўка хвалевай тэорыі святла, здзяйсненне вытанчаных эксперыментаў дзеля яе эмпірычнай праверкі, вызначэнне даўжыні светлавой хвалі і г. д.).

Важнай падзеяй у кантэксце сцвярджэння хвалевага падыходу ў оптыцы (і, як высветліцца далей, у кантэксце сучасных касмалагічных даследаванняў) было адкрыццё аўстрыйскім і французскім фізікамі К.Доплерам (1803-1853) і А.Фізо (1819-1896) феномена, які быў названы ў іх гонар эфектам Доплера-Фізо. У 1842 г. К.Доплер, эксперыментуючы з гукавымі хвалямі, выявіў, што іх частата залежыць ад характарыстык (напрамку, хуткасці) руху іх крыніцы і назіральніка (яна павялічваецца пры набліжэнні згаданай крыніцы да яго і памяншаецца пры аддаленні). Зыходзячы з хвалевых аптычных уяўленняў, ён меркаваў, што адпаведная з’ява павінна мець месца і на ўзроўні святла. А.Фізо паказаў, што гэта сапраўды так, выявіўшы, як згаданы эфект адбіваецца на спектрах крыніц светлавога выпраменьвання, што рухаюцца адносна назіральніка[67].

У наступным параграфе будзе паказана, што выдатны шатландскі фізік Д.К.Максвел улучыў святло ў тэарэтычную схему, якая апісвае электрамагнітныя палі і хвалі.

Такім чынам, у ХVІІ ст. оптыка як галіна фізічных даследаванняў набывае сваю аўтаномію. У ёй усталёўваецца механічны падыход, асновы якога былі закладзеныя Дэкартам. У выніку інтэнсіўных тэарэтычных і эмпірычных пошукаў, што вяліся ў гэты час на дадзеным кірунку, былі распрацаваныя карпускулярная (І.Н’ютан) і хвалевая (К.Гюйгенс) тэорыі святла. ХVІІІ стагоддзе прайшло пад знакам першай з іх, а ў ХІХ дамінавала другая. Дадзенае дамінаванне было замацавана тэорыяй электрамагнетызму Д.К.Максвела, у рамках якой святло разглядаецца як пэўная разнавіднасць электрамагнітных хваляў.

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Класічная оптыка, як падаецца, мае штосьці ад свайго прадмета даследавання і выглядае досыць мабільнай: кожнае стагоддзе ў ёй адбываліся кардынальныя канцэптуальныя змены. Як бы Вы растлумачылі гэты момант?

2. Паспрабуйце сістэматызаваць аргументы, што прыводзіліся ў ХVІІ-ХVІІІ cтст. на карысць хвалевай і карпускулярнай тэорый святла.

3. Карпускулярную оптыку часам характарызуюць як геаметрычную, а хвалевую – як фізічную. Падумайце пра падставы для такіх характарыстык.

4. Якое значэнне, на Вашу думку, распрацаваныя ў ХVІІ-ХІХ стст. тэорыі святла мелі для далейшага развіцця фізікі?

Дата добавления: 2014-10-31