Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПАРАДИГМА И РАЦИОНАЛЬНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕЗИСА ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Раджабов О.Р.

К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество пришло к мысли, что механистическая теория практически полностью сняла все проблемы физической картины мира. Казалось, оправдываются слова, сказанные об авторе «Начал»: Ньютон был не только величайшим, но и счастливейшим из смертных, ибо систему мира можно создать только один раз. «Космология Ньютона стала первой в истории науки подлинна всеобъемлющей гипотетико-дедуктивной системой мироздания».

Явления переноса теплоты объясняли с помощью механической субстанции - теплорода, были придуманы и другие такие жидкости - электрические и магнитные субстанции.

Положение начало меняться в связи с успехами термодинамики. В середине XIX в. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц открыли закон сохранения энергии.

В первой половине XVIII в. были сделаны новые шаги в изучении электрических явлений. Английский физик Стефен Грей (1666-1736 гг.) открыл в 1729 г. явление электропроводности.

Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме начинается с установления основного закона электростатики и магнитостатики - закона Кулона. В 1780-х гг. французский физик и инженер Шарль Огюстен Кулон (1736-1806 гг.) непосредственно измерил силы, действующие между электрическими зарядами, и вывел основной закон электростатики (1785 г.). Для определения силы взаимодействия между электрическими зарядами Кулон сконструировал весьма чувствительный прибор - крутильные весы. При этом он использовал открытый им ранее закон пропорциональности между углом закручивания упругой нити и моментом силы. Кулон исследовал также взаимодействия между магнитами и подтвердил закон о том, что сила взаимодействия между полюсами магнитов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Открытие Эрстедом в 1820 г, магнитного действия тока показало, что между магнитными и электрическими явлениями существует связь и что магнитные действия можно получить при помощи электрических токов.

Важные результаты в области электромагнетизма были получены французским ученым Андре Мари Ампером (1775-1836 гг.). Он показал на опыте, как взаимодействуют два прямолинейных проводника с током, два замкнутых проводника с током, соленоид и магнит, продемонстрировал эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма. В 1826 г. был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Он использовал понятия «сила тока», «напряжение», хотя и не приводил четкой формулировки этих понятий. Амперу также принадлежат идеи создания прибора для измерения силы тока (амперметра), электромагнитного телеграфа. По существу, была создана новая наука об электричестве и магнетизме, и даже термин «электродинамика» был введен Андре Мари Ампером. Он пришел к заключению, что все магнитные явления в природе, в том числе и связанные с постоянными магнитами, вызваны электрическими токами (теория молекулярных токов Ампера).

Дальнейшими достижениями того периода мы обязаны английскому физику Майклу Фарадею (1791-1867 гг.). Из них особое значение имело открытие явления электромагнитной индукции, которое легло в основу электротехники. Фарадей исходил из основной идеи о взаимной связи явлений природы. Он считал, что если ток способен вызывать магнитные явления, то и, обратно, при помощи магнитов или других токов можно получить электрические токи. В результате настойчивых и многочисленных попыток Фарадей действительно открыл в 1831 г. явление электромагнитной индукции, которое еще более укрепило представление о связи между электричеством и магнетизмом .

Второй важнейшей идеей в работах Фарадея было признание основной, определяющей роли промежуточной среды в электрических явлениях. Фарадей не допускал действия на расстоянии и считал, что электрические и магнитные взаимодействия передаются промежуточной средой, что именно в этой среде протекают основные электрические и магнитные процессы. В теории электромагнитной индукции Фарадей развил новые взгляды на природу электричества, основанные на принципе близкодействия. Наряду с понятием магнитных силовых линий Фарадей использовал представления о линиях электрического смещения, об их густоте, о том, что они стремятся отталкиваться и т.д. К другим открытиям Фарадея в области электромагнетизма относятся открытие в 1848 г. явления вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (эффект Фарадея), открытие в 1845 г. явлений диамагнетизма и парамагнетизма, установление связи оптических явлений с магнетизмом. Тела, обладающие обычными магнитными свойствами, Фарадей называл парамагнитными, остальные диамагнитными.

Основные теоретические представления Фарадея, его концепция близкодействия (согласно которой взаимодействия между телами осуществляются посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве) не были восприняты современниками. Первым обратил на них серьезное внимание Джеймс Клерк Максвелл. В его работах идеи Фарадея были углублены, развиты и превращены в строгую математическую теорию. В трудах Максвелла идея о тесной связи электрических и магнитных явлений получила окончательное оформление в виде двух основных теоретических положений и была в строгой форме выражена в виде системы четырех уравнений классической макроскопической электродинамики, получивших название уравнений Максвелла.

Таким образом, во второй половине XIX в. на основе исследований М. Фарадея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина мира. «Сам Максвелл, по мнению Эйнштейна, еще был убежден в том, что электродинамические процессы можно рассматривать как движение эфира, и даже использовал механику при выводе уравнений поля, однако со временем становилось все более ясным, что сведение уравнений электромагнитного поля к уравнениям механики невозможно».

Согласно этой картине материя существует в двух видах: в виде вещества и в виде поля. Между указанными видами материи имеется непереходимая грань: вещество не превращается в поле, а поле не превращается в вещество.

Механистическая картина мира, как уже говорилось, опиралась на представление, что силы действуют по направлению прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), т. е. являются центральными силами. Другими словами, в картине мира классической механики все взаимодействия сводились к притяжению частиц. Это было, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновой системы абстрагироваться от роли промежуточной среды в передаче взаимодействия.

С открытием X. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация, противоречившая представлениям механистической картины мира: на определенном расстоянии от проводника с током на магнитную стрелку действовала сила, которая не притягивала и не отталкивала, а лишь стремилась вращать стрелку вокруг проводника.

Вслед за открытием Эрстеда А. Ампер доказал на опыте, что круговой электрический ток создает магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самым была выявлена не только удивительная симметрия электрических и магнитных явлений (прямолинейный проводник с током создает магнитное поле, направленное по кругу вокруг проводника; круговой ток создает магнитное поле, направленное по оси круга), но и их глубокое внутреннее единство, взаимопорождение. Эта идея приведет через десять лет М. Фарадея к открытию электромагнитной индукции.

Эрстед по существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход от механистической картины мира к новой, электромагнитной. Вопреки узкоэмпирической концепции научного познания, открытия в науке возникают не просто в результате накопления суммы фактов, а путем теоретического осмыслении решающих для данной проблемы фактов. Таким решающим фактом для открытия И. Ньютоном закона тяготения явилось совпадение характеристик свободного падения тел на Земле («падающее яблоко») и свободного «падения» Луны при ее движении вокруг Земли. Решающим фактом в разработке общей теории относительности станет для А. Эйнштейна равенство инерционной и тяготеющей масс. Соответственно такому пониманию роли решающих фактов следует говорить и о решающих экспериментах: это вовсе не «эксперименты креста», о которых писал Ф. Бэкон, надеясь с их помощью выбирать одну из альтернативных гипотез, это эксперименты, устанавливающие решающие факты. Именно таким экспериментом в сфере изучения электричества и магнетизма был эксперимент Эрстеда.

Важный шаг в возникновении новой физической картины мира был сделан М. Фарадеем. Он сосредоточил внимание на новом предмете физического исследования. Именно среда, которая в ньютоновской физике могла не учитываться (или учитываться лишь как расстояние между взаимодействующими телами), стала предметом специального изучения как носитель принципиально важных процессов, передающих взаимодействие. Кроме того, М. Фарадей перешел к исследованию опосредованного средой процесса превращения магнетизма в электрический ток, электрического тока в одном контуре в электрический ток в другом контуре (так называемой взаимной индукции). В ходе этого исследования им были сделаны выдающиеся открытия, обнаружены новые решающие факты, которые предопределили последующее создание теории электромагнитного поля.

В трудах М. Фарадея новая парадигма физической реальности получила свое терминологическое обозначение физическое поле (1864 г.). Однако логико-теоретическое и концептуальное завершение теория Максвелла получит лишь в специальной теории относительности.

Если в XVIII в. стремились все свести к механике, то теперь все, включая и ряд механических явлений (например, трение, упругость), стремились свести к электромагнетизму. Вне сферы электромагнетизма остается только тяготение. В качестве элементарных структур, из которых построена вся материя, рассматриваются всего три частицы - электрон, протон и фотон. Фотоны - кванты электромагнитного поля. При рассмотрении электромагнитного поля наряду с волновыми представлениями используются также и корпускулярные (фотонные) представления, утвердившиеся в физике как корпускулярно-волновой дуализм.

Максвелл воплотил основной принцип научно-материалистического мировоззрения в конкретную физическую идею о существовании нового вида материи - электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, которая в виде универсальной константы входит в уравнение Максвелла.

«Новые теоретические идеи Максвелла, - заметили Эйнштейн и Инфельд, - идут дальше этих экспериментальных фактов. Электрическое и магнитное поля или, короче, электромагнитное поле является, согласно теории Максвелла, чем-то реальным».

Электромагнитная картина мира сформировалась не только в XIX в., она продолжала формироваться в течение еще трех десятилетий XX в. Она использовала не только учение об электромагнетизме и достижения атомистики, но также некоторые идеи современной физики. Исследуя проблемы теплового излучения и фотоэффекта, Альберт Эйнштейн в самом начале XX столетия пришел к выводу о квантовании энергии светового излучения, а в 1916 г. он ввел в рассмотрение понятие порции самого излучения (световые кванты, обладающие не только определенной энергией, но и определенным импульсом). С 1926 г. световые кванты стали называться фотонами. Таким образом, стали известны два вида полей - электромагнитное и гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных взаимодействий.

Конечно, электромагнитная картина мира по сравнению с механистической картиной мира представляла собой значительный шаг вперед в познании окружающего мира. Многие детали электромагнитной картины мира сохранились в современной физической картине мира: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, ядерная модель атома, дуализм корпускулярных и волновых свойств и многое другое. В то же время в электромагнитной картине мира, как и в механистической, господствовали однозначные причинно-следственные связи, по-прежнему все было жестко определено, характерна метафизическая омертвелость, внутренние противоречия и взаимосвязь отсутствовали. Открытые Максвеллом и Больцманом вероятностные закономерности не признавались фундаментальными и не включались ни в механистическую, ни в электромагнитную картину мира. Столь не однозначными, жесткими представлялись и максвелловские волны, управляющие электромагнитным полем.

Девятнадцатый век подвел к пониманию диалектики природы, но сам век еще оставался на позициях метафизического миропонимания. Нужен был диалектический метод познания природы.


Библиографическая ссылка

Раджабов О.Р. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПАРАДИГМА И РАЦИОНАЛЬНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕЗИСА ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ // Фундаментальные исследования. – 2008. – № 5. – С. 52-55;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3041 (дата обращения: 13.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074