История физики

Термодинамика, газы, молекулярная теория 

Успехи химии и  невозможность взаимопревращения  химических элементов стали весомым  аргументом в пользу существования  молекул как дискретных первоносителей химических свойств. Джон Дальтон ещё в начале XIX века объяснил с помощью молекулярной теории закон парциальных давлений и составил первую таблицу атомных весов химических элементов — как позже выяснилось, ошибочную, так как он исходил из формулы для воды HO вместо H2O, а некоторые соединения посчитал элементами. 

1802: Гей-Люссак и  Дальтон открывают закон расширения  газа при нагревании. 

В 1808 году Гей-Люссак открыл парадокс: газы соединялись  всегда в кратных объёмных отношениях, например: C + O2 (по одному объёму) = CO2 (два объёма). Для объяснения этого противоречия с теорией Дальтона Авогадро в 1811 году предложил разграничить понятие атома и молекулы. Он также предположил, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (а не атомов, как считал Дальтон). Тем не менее вопрос о существовании атомов был спорным ещё долго. 

1822: Фурье публикует  «Аналитическую теорию тепла», где  появляется уравнение теплопроводности.

Рудольф Клаузиус 

Работы по кинетике газов начали Крёниг (1856) и Рудольф Клаузиус. Последний предложил правильную модель идеального газа и объяснил фазовые переходы. 

Основы термодинамики  заложили в середине XIX века Вильям Томсон (лорд Кельвин) и Клаузиус. Они  сформулировали два закона (начала) термодинамики; впрочем, первый закон  уже знал Герман Гельмгольц. Понятие теплорода было окончательно похоронено. Рэнкин и Томсон ввели взамен общее понятие энергии (1852), уже не только кинетической, одновременно Майер и Джоуль формулируют всеобщий закон сохранения энергии. 

После 1862 года Клаузиус исследовал необратимые процессы, не укладывающиеся в механическую модель, и предложил понятие энтропии. Начинается обсуждение «тепловой смерти Вселенной» (Томсон, позже Клаузиус), потому что принцип возрастания энтропии несовместим с вечностью Вселенной. 

Чрезвычайно важными  стали работы Джемса К. Максвелла. В 1860 году он вывел статистический закон  распределения скоростей молекул  газа, получил формулы для внутреннего  трения и диффузии, создал набросок кинетической теории теплопроводности.

Людвиг  Больцман 

Дальнейшие успехи кинетической теории газов и термодинамики  во многом связаны с Людвигом Больцманом и Ван дер Ваальсом. Помимо прочего, они пытались вывести термодинамики  на базе механики, и неудача этих попыток для необратимых процессов  вынудила Больцмана предположить в 1872 году, что Второе начало имеет не точный, а статистический характер. Более 20 лет эта догадка не вызывала интереса среди физиков, затем развернулась оживлённая дискуссия. Примерно с 1900 г., после работ Планка, Гиббса, Эренфеста и других, идеи Больцмана получили признание. 

С 1871 года Больцман (и  позже Максвелл) развивают статистическую физику. Чрезвычайно плодотворной оказалась  эргодическая гипотеза (средние по времени совпадают со средними по ансамблю частиц). 

Кроме открытия электрона (см. ниже), решительным аргументом в пользу атомистики стала теория броуновского движения (Эйнштейн, 1905). После работ Смолуховского и Перрена, подтвердивших эту теорию, даже убеждённые позитивисты уже не оспаривали существование атомов. 

Открытие  электрона, радиоактивность 

Чтобы связать атомную  гипотезу с электрическими явлениями, Берцелиус и Фарадей предположили, что имеются два типа атомов, с  положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование  наименьшего электрического заряда. Стоуни (Stoney) предложил термин «электрон» (1874) и дал неплохую оценку его заряда. Были и другие гипотезы, например, У. Праут считал, что раз атомные веса элементов кратны атомному весу водорода, то существует один первичный атом — водорода, а все прочие состоят из сцеплённых первичных атомов. Крукс предположил, что существует нулевой первоэлемент — протил, составляющий и водород, и прочие элементы, а Вильям Томсон считал атом стабильным вихрем в эфире. 

Ещё ранее, в 1858 году, были открыты катодные лучи. После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряд/масса для катодных лучей и доказал, что оно не зависит от материала катода и других условий опыта. Предположив, что заряд электрона совпадает с (уже известным) зарядом иона водорода, Томсон получил оценку массы электрона. Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть. 

Томсон показал  также, что частицы, излучаемые при фотоэффекте, имеют такое же отношение заряд/масса и, очевидно, тоже электроны. 

В это время Гендрик  Лоренц обобщил теорию Максвелла  для подвижных сред (1878), содержащих ионы. Электронная теория Лоренца  хорошо объясняла диамагнетизм, процессы в электролите, движение электронов в металле, а также открытый в 1896 году эффект Зеемана — расщепление спектральных линий в магнитном поле. 

Решающие открытия были совершены в 1895-м (рентгеновские  лучи) и 1896-м годах (радиоактивность  урана). Правда, волновая природа X-лучей была окончательно доказана только в 1925 году (Лауэ, дифракция в кристаллах), но предполагалась многими и ранее. А вот радиоактивность поставила физиков в тупик и подверглась активному исследованию. 

Вскоре были открыты  радий, торий и др. активные элементы, а также неоднородность излучения (альфа- и бета-лучи открыл Резерфорд в 1899-м, а гамма-лучи — Вилар в 1900-м). Природа бета-лучей стала ясна сразу, когда Беккерель измерил их отношение заряд/масса — оно совпало с таковым для электрона. Природу альфа-частиц разгадал Резерфорд только в 1909 году. 

1901: Вальтер Кауфман  обнаружил (предсказанное Хевисайдом  и Дж. Дж. Томсоном) возрастание массы  электрона с ростом его скорости. 

1902: Резерфорд и  Содди делают вывод, что «радиоактивность есть атомное явление, сопровождаемое химическими изменениями». В 1903 году они открыли экспоненциальный закон распада радиоактивного атома, оценили внутриатомную энергию как неизмеримо превышающую любую химическую, и выдвинули гипотезу, что именно она является источником энергии Солнца. 

В этом же году Уильям Рамзай и Содди обнаружили первые трансмутации элементов (радона в гелий), а Дж. Дж. Томсон дал первое обоснование  периодической системе элементов  с позиций электронной теории. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

XX век 

В начале XX века физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать противоречия между старыми моделями и эмпирическим опытом. Так, например, наблюдались противоречия между классической механикой и электродинамикой при попытках измерить скорость света. Выяснилось, что она не зависит от системы отсчёта. Физика того времени также была неспособна описать некоторые микроэффекты, такие, как атомные спектры излучений, фотоэффект, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика. 

Теория  относительности

Альберт Эйнштейн 

В 1728 году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: все звёзды описывают на небосводе малые круги с периодом в один год. С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение (при движении Земли вокруг Солнца) по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд. 

Френель, однако, допускал, что внутри вещества эфир частично увлекается. Эта точка зрения, казалось, нашла подтверждение в опытах Физо, который обнаружил, что скорость света в воде меньше, чем в пустоте. 

Максвелл в 1868 году предложил схему решающего опыта, который после изобретения интерферометра смог осуществить в 1881 году американский физик Майкельсон. Позже Майкельсон и Эдвард Морли повторили опыт несколько раз с возрастающей точностью, но результат был неизменно отрицательным — «эфирного ветра» не существовало. 

В 1892 году Лоренц и (независимо от него) Джордж Фитцджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Одновременно изучался вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор (1900) и Пуанкаре (1905), который доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца. 

В знаменитой работе «О динамике электрона» (1905) Пуанкаре также  дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. В этой работе есть даже 4-интервал Минковского. Тем не менее Пуанкаре продолжал верить в реальность эфира, а разработанной им математической модели не придавал объективного физического содержания, рассматривая её, в соответствии со своей философией, как соглашение («конвенцию»). 

Физическая, объективная сущность модели Пуанкаре раскрылась после работ Эйнштейна. В статье (1905 года) Эйнштейн рассмотрел два постулата: общий принцип относительности и постоянство скорости света. Из этих постулатов следовали лоренцево сокращение, относительность одновременности и ненужность эфира. Были выведены также формулы преобразования Лоренца, суммирования скоростей, возрастания инерции со скоростью и т. д. Позже эта теория получила название специальной теории относительности (СТО). В том же году появилась и формула E = mc2 — инерция определяется энергией. 

В других работах этого  периода Эйнштейн дал квантовую  теорию фотоэффекта и теплоёмкости, теорию броуновского движения, эффекта Эйнштейна — де Хааза (молекулярных токов), статистику Бозе — Эйнштейна и др. Далее он сосредоточил свои усилия на развитии теории относительности. 

Часть учёных сразу приняли СТО: Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику, а Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира. Сам Лоренц принял СТО только к концу жизни. 

С 1911 года Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности (ОТО), включающую гравитацию, на основе принципа эквивалентности, которую завершил в 1916 году. Проверка трёх предсказанных Эйнштейном новых эффектов показала полное согласие ОТО с опытом. 

Попытки Эйнштейна  и других учёных расширить ОТО, объединив гравитацию и электромагнетизм, успехом не увенчались. 

Первые  теории строения атома 

После открытия электрона  стало ясно, что атом имеет сложную  структуру, и встал вопрос, какое  место в ней занимает электрон, и какие есть ещё субатомные частицы. 

Существование атомов различных масс было предложено в 1808 году Джоном Дальтоном, чтобы объяснить закон кратных отношений. Соответствие различных оценок числа Авогадро предоставила решающее доказательство для атомистической теории. 

В 1904 году появилась  первая модель атома, известная как  модель «пудинга с изюминками», где атом представлял собой положительно заряженное тело, с равномерно перемешанными в нём электронами. Движутся они там или нет — этот вопрос был оставлен открытым. Одновременно японский физик Нагаока предложил планетарную модель, но Вин сразу указал, что круговые орбиты электронов несовместимы с классической электродинамикой: при всяком отклонении от прямой электрон должен терять энергию. 

В 1909—1910 годах эксперименты Резерфорда и Гейгера по рассеянию  альфа-частиц в тонких пластинках обнаружили, что внутри атома существует небольшая компактная структура — атомное ядро. От «модели пудинга» пришлось отказаться. Резерфорд предложил уточнённую планетарную модель: положительное ядро, заряд которого (в единицах заряда электрона) соответствует номеру элемента в таблице Менделеева.