Наконец, была понята природы света как вида электромагнитных волн

Формирование представления об электромагнитном поле как особой форме материи, обладающей, как и все материальные объекты, энергией.

Предсказание существования единого электромагнитного поля как неразрывной совокупности переменных электрического и магнитного полей, способного распространяться в пространстве со скоростью света в виде электромагнитной волны.

Открытие явления электромагнитной индукции и установление тесной взаимосвязи электрических и магнитных явлений.

Исследование магнитного поля, установление связи между током и магнитным полем, то есть фактически между электрическим полем как причиной и магнитным полем как следствием.

Экспериментальное изучение движения зарядов, то есть электрического тока. Формулировка законов постоянного тока.

5. Обобщение результатов всех исследований электричества и магнетизма и создание единой теории электромагнетизма, матема­тическим ядром которой стали так называемые уравнения Максвелла.

3.2. Многообразие диапазонов электромагнитного излучения

На рис. 3.3. показана вся шкала электромагнитных волн.

Диапазон видимого излучения шкалы электромагнитных волн соответствует возможностям зрительного восприятия человека. Элект­ромагнитные волны, доступные зрению, занимают лишь очень узкий отрезок на шкале. Его середина соответствует приблизительно длине волны 0,5 микрометра (зеленому цвету). По обе стороны от диапазона видимого излучения, взятого на шкале за ориентир, простираются несколько условно выделенных и по-разному используемых диапазонов.

Диапазон инфракрасного излучения. Источниками инфракрас­ного (ИК) излучения являются тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, то есть практически все тела. Его интенсивность определяются температурой тела. ИК излучение не воспринимается зрением, но создает впечатление тепла и поэтому часто называется тепловым. Этот вид излучения в значительной мере обеспечивает тепло­обмен между телами. ИК излучение стало широко использоваться в приборах автоматики и дистанционного управления, в приборах ночного наблюдения, в системах спутникового слежения и фотогра­фирования поверхности Земли. На ИК-фотографиях можно увидеть детали, невидимые на обычной фотографии и непосредственно глазом. Это используется в аэрофоторазведке, медицине, криминалистике. Интенсивное инфракрасное излучение используется и в технологи­ческих целях. Источниками такого излучения служат мощные техноло­гические лазеры или иные специальные устройства.

Диапазон ультрафиолетового излучения располагается в области меньших длин волн сразу за диапазоном видимого излучения. Ультрафиолетовые (УФ) лучи обладают способностью вызывать свечение (люминесценцию) ряда веществ. Эти вещества широко ис­пользуют для нанесения меток и скрытой информации на документах и денежных знаках, а УФ лучи применяют для идентификации выяв­ления этой информации. УФ лучи, в особенности наиболее коротковол­новые из них, обладают способностью существенного биологического воздействия. Этим объясняются опасения, вызванные предполагаемой глобальной проблемой так называемых озоновых дыр.

Область радиоволн заполняет правую часть шкалы на рис. 3.3. Эта область имеет несколько условно выделенных диапазонов, в частности, диапазоны длинных, средних и коротких радиоволн. Как известно, радиоволны оказались эффективным средством практически мгновенной в земных условиях передачи информации на большие расстояния. С уменьшением длины волны увеличивается возможность "уплотнять" переносимую волной информацию. Но при этом умень­шается способность радиоволн огибать препятствия.

В левой части шкалы вслед за УФ диапазоном располагаются коротковолновые диапазоны рентгеновского излучения и гамма лучей. И те, и другие обладают губительным действием на биологиче­ские объекты. Поэтому при работе с этими излучениями предусмат­риваются особые меры безопасности. Источниками рентгеновского излучения являются специальные устройства - рентгеновские трубки. Источниками гамма лучей являются радиоактивные элементы и уско­рители элементарных частиц. Эти виды электромагнитных волн излу­чаются звездами, галактиками, широко распространены в космиче­ском пространстве и используются в современной астрофизике и астрономии дня получения новой информации об этих объектах наряду с электромагнитными волнами других диапазонов. Рентгеновские и гамма лучи находят все возрастающее приборное и технологическое применение в медицине, дефектоскопии, полупроводниковой промы­шленности и микроэлектронике, а также в научных исследованиях.

3.3 Волновые явления. Интерференция, дифракция, поляризация. Идея голографии

Из ряда важнейших явлений, происходящих с участием волн, кратко охарактеризуем следующие.

Дифракция - это явление огибания волнами препятствий. Эффект становится заметным, когда размер препятствия меньше длины волны или сравним с ней. Если же размер препятствия намного пре­вышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. В этом случае энергия волны распространяется прямолинейно (по законам геомет­рической оптики). Дифракция широко используется в прикладной оптике. В микроскопии дифракция является фактором, устанав­ливающим принципиальный предел увеличения. Например, размер объекта, который можно наблюдать в оптическом микроскопе, ограничен средней длиной световой волны (около 0,5 мкм).

Интерференция - явление взаимного усиления или ослабления когерентных волн при их наложении. (Когерентными называют волны с одинаковой длиной волны и неизменной разностью фаз в точке их наложения.) Наглядным примером этого эффекта может служить интерференция световых волн в тонких пленках (в частности возникновение радужной окраски в тонких пленках масел, бензина и т.д., образующихся на поверхности воды).

Примером новейшего использования интерференции и дифрак­ции является голография - метод записи и воспроизведения объемных изображений, основанный на фотографировании интерференционной картины, получаемой при освещении объекта и фотопластины когерентными лучами. Дифракция на голограмме световых волн, идентичных применявшимся для ее создания, позволяет восстановить такой волновой фронт, какой создавал реальный объект. Прикладные возможности голографии разнообразны. Например, созда­ние объемного кинематографа. Сверхплотная голоографическая запись информации - это очень надежный метод хранения информации: даже малый фрагмент голограммывоспроизводит все изображение.

Эффект Доплера заключается в изменении длины волны излучения, воспринимаемого приемником от источника, при их движении друг относительно друга. При удалении приемника от излу­чателя воспринимаемая им длина волны увеличивается по сравнению со случаем взаимной неподвижности и наоборот. Этот эффект лежит в основе измерения скорости движения различных объектов и широко используется в авиации, в космической технике, в астрофизике. Обна­ружение доплеровского "красного смещения" в спектрах излучения далеких галактик привело к выводу о расширении Вселенной.

3.4 Концепции дальнодействия и близкодействия

Открытие электромагнитного поля привело к важному изме­нению во взглядах на механизм взаимодействий в природе.

Первоначально в естествознании существовало убеждение, что взаимодействие между природными объектами осуществляется через пустое пространство. При этом пространство не принимает никакого участия в передаче взаимодействия, а само взаимодействие происходит мгновенно. Такое представление о характере взаимодействия составляло суть так называемой концепции дальнодействия.

В ходе исследования свойств электромагнитного поля от конце­пции дальнодействия пришлось отказаться. Так как было показано, что предельная скорость передачи любой энергии, любого сигнала не может превышать скорости света, а скорость света является конечной величиной, то ключевое положение концепции дально­действия - мгновенность осуществления взаимодействия - было отвергнуто. Вместо концепции дальнодействия была принята альтернативная концепция близкодействия.

В соответствии с концепцией близкодействия в пространстве, разделяющем взаимодействующие объекты, происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Следо­вательно, существует некий "посредник" между взаимодействующими объектами. Возникнув в связи с объяснением взаимодействия электри­чески заряженных тел, концепция близкодействия использовала в качестве такого посредника электромагнитное поле. Позже концепция близкодействия была распространена и на взаимодействие всех иных объектов.

Согласно концепции близкодействия взаимодействие между объектами осуществляется посредством различных полей,непрерывно распределенных в пространстве.

Так, всемирное тяго­тение тел осуществляется посредством гравитационного поля.

Таким образом, в том виде, в котором она зародилась, концепция близко­действия лежала в русле континуальной традиции естествознания.

После становления квантовой физики представления о взаимодействии получили дальнейшее развитие и уточнение.

Несмотря на принципиальный отход современной физики от концепции дальнодействия, в этой концепции привлекает простота, позволяющая ограничиться описанием только взаимодействующих объектов и исключить рассмотрение "переносчика взаимодействия". И поэтому она (концепция дальнодействия) продолжает использоваться в тех случаях, когда пере­дачу взаимодействия можно считать мгновенной. Такое приближение допустимо, если время осуществления взаимодействия много меньше характерного времени, в течение которого заметно изменяется состояние системы взаимодействующих объектов.

Тема 4. Квантово-полевая картина мира

4.1 Двойственный (непрерывный и дискретный) мир классической физики

Рассмотрев развитие корпускулярной и континуальной концеп­ции в физике, мы увидели, как механическую картину мира, сложившуюся в естествознании в 17-18 веках благодаря успехам ньютоновской механики, в 19 веке потеснила электромагнитная картина мира, возникшая на основе достижений теории электричества и магнетизма.

С окончательным оформлением электромагнитной картины мира завершился классический этап развития физики, а вместе с ней - и всего естествознания. Итогом этого развития стало пред­ставление о существовании двух форм материи - в виде вещества и в виде поля. При этом полевая и вещественная формы материи воспринимались как совершенно независимые друг от друга.

В классической физике вместе с моделью сплошной среды для описания строения веще­ства используются и корпускулярные представления. В качестве эле­ментарных фрагментов материи рассматривались частицы - электрон, протон и фотон. Фотон служил основой для описания электромагнит­ного поля наряду с волновыми представлениями, а электрон и протон являлись элементарными "кирпичиками" вещества, которое на более высокоорганизованном уровне представлено атомами, ионами, моле­кулами и далее - газом, плазмой, жидкими и твердыми телами.

К характерным чертам классической фи­зики относится допущение одновре­менного существования двух альтернативных видов материи - вещества (дискретной формы материи) и поля (непрерывной формы материи): классическая физика давала образ двойственного в своей сути мира.

Другой характерной чертой классического естествознания был детерминизм, представление о жестких причинно-следственных связях между явлениями, о доминирующей роли в естествознании законо­мерностей динамического типа.

Наконец, классическому естествознанию присуще простейшее представление об объективности познания природы. Оно заключалось в неявном предположении, что материальные системы всегда можно описать с помощью точно измеряемых физических величин. Откло­нения величин от их точных значений относили на счет недостаточно тщательно выполняемых измерений. В этом заключалась связанная с классическим типом научной рациональности концепция независи­мости результатов познания от средств наблюдения.

Преодолеть перечисленные методологические ограничения физика смогла лишь в начале 20-го столетия по мере развития и утверждения новых, квантовых идей.

К началу 20 века физика пришла к необходимости описывать поведение микрочастиц (например, при объяснении строения атома). Классические представления о поведении микрочастиц строились на переносе в микромир законов макромира. "Классическая" частица имеет конкретные координаты и движется по определенной траектории. Причем, она может непрерывным образом изменять значения импульса и энергии.

Однако, оставаясь в рамках классической рацио­нальности, физика не могла объяснить целый ряд достоверно установленных к тому времени экспериментальных фактов: законы теплового излучения, фотоэффект, эффект Комптона.

Неудачные попытки объяснить поведение микрочастиц, исхо­дя из классических представлений, привели к появлению принци­пиально новых, квантовых представлений о характере процессов в микромире. На их основе постепенно сформировался раздел физики, получивший название квантовой физики.

Дата добавления: 2014-01-05