Непрерывный и дискретный мир классической физики

     Одним из первых, кто оценил работы Фарадея  и его открытия, был Джеймс Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира. 

3. Теория  электромагнитного  поля Дж. Максвелла

 

     Джеймс  Максвелл, взяв за основу идеи близкодействия и поля, предложенные Фарадеем, разрабатывает теорию электромагнитного поля в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865 гг.) и «Динамическая теория поля» (1864-1865 гг.).

     Суть теории Дж. Максвелла сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике, этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия [Кунафин 2003: 63].

     Мир стал представляться электродинамической  системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих  посредством электромагнитного  поля.

     Система уравнений для электрических  и магнитных полей, разработанная Дж. Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны четырем утверждениям:

 

     Анализируя  свои уравнения, Дж. Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вытекал вывод, что свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Джеймс Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально П.Н. Лебедевым в 1906 г.

     Вершиной  научного творчества Дж. Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму». Разработав электромагнитную картину мира, Дж. Максвелл завершил картину мира классической физики [http://www.kse.historic.ru/books/item/f00/s00/z0000688/st001.shtml]. 

4. Электромагнитные  волны

 

      Существование электромагнитных волн было предсказано  М.Фарадеем в 1832 г. Дж. Максвелл в 1865 г. теоретически доказал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света во все стороны от источника. Руководствуясь положением, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света, Дж. Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой электромагнитную волну.

     Теория  Максвелла позволила единым образом  подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что это не излучения различной природы, а электромагнитные волны с различной длиной волны. Частота w колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны l соотношением: l = 2pс/w [Тамм 1976: 145-146].

     Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излучение  находят своё место в единой шкале  электромагнитных волн, причём между соседними диапазонами шкалы электромагнитных волн нет резкой границы (Приложение №2).

     Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Дж. Максвелла. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы.  Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические или магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны.

     Электромагнитные  волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками [Аистов 2005: 89-90].

     Появление квантовых генераторов, в частности  лазеров, позволило достичь напряжённости  электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитной волны в нелинейной среде её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения электромагнитной волны они обогащаются так называемыми высшими гармониками и их форма постепенно искажается. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии.

     Электромагнитные  волны различных диапазонов характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. д. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение электромагнитных волн могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов  [http://www.bse.sci-lib.com/article126043.html]. 

5. Электронная теория Лоренца

 

     Г. Лоренц рассмотрел отражение и преломление света с позиций электромагнитной теории Дж. Максвелла и показал, что на границе двух сред возникают четыре условия (а не шесть, как требовала механическая теория света). Это свидетельствовало о поперечности световых волн и служило доказательством электромагнитной теории света [Савченко 2006: 108].

     В 1878 году Г. Лоренц объяснил дисперсию  света интерференцией падающих и  вторичных волн, возникающих при  колебаниях заряженных частиц под действием падающих волн. Эта работа была первым шагом к разработке электронной теории, основные положения которой он сформулировал в 1892 году.

     С точки зрения теории Лоренца всякое вещество состоит из положительных  и отрицательных дискретных зарядов, движением и взаимодействием которых обусловлены электромагнитные явления, а также электрические, магнитные и оптические свойства вещества. Лоренц вывел выражение для силы, действующей со стороны электромагнитного поля на движущийся заряд [http://www.chronos.msu.ru/lorentz.html].

     Г. Лоренц совместно с немецким физиком П. Друде разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях:

• в металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ;
• основание металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы;
• при наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля;
• при своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление [Голдберг 1970: 109-110].

     С помощью электронной теории Лоренца  удалось объяснить многие явления (соотношение между коэффициентом  преломления вещества и поляризуемостью, связь между коэффициентами тепло- и электропроводимости металлов и т.д.). Электронная теория Лоренца не только полностью сохранила свое значение до настоящего времени, но и явилась фундаментом многих современных физических представлений [http://www.ugatu.ac.ru/ks010999.htm].

 

Заключение 

     Электромагнитная картина мира представляла огромный шаг вперед в познании мира. Многие ее детали сохранились и в современной естественно­научной картине: понятие физического поля; электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления в веществе; ядерная модель атома; дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и др. В этой картине мира господствовали однозначные причинно­следственные связи, вероятностные физические закономерности не признавались фундаментальными и поэтому не включались в нее. Не менялись представления о месте и роли человека во Вселенной. Таким образом, электромагнитная картина мира характеризовалась метафизичностью мышления, где все четко разграничено, внутренние противоречия отсутствуют.

     С течением времени картина мира, а вместе с ней и представления о дискретности и непрерывности претерпевали изменения с течением времени и по мере развития науки. Современная наука признает единство дискретности и непрерывности как основополагающую характеристику процесса развития явлений. Непрерывность в развитии системы выражает её относительную устойчивость, пребывание в рамках данной меры. Прерывность же выражает переход системы в новое качество.

     В современной физике это единство противоположностей, дискретного и  непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма. 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы 

1. Аистов  И.В. Концепция современного естествознания. – СПб.: Питер, 2005. – 208с.
2. Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности. - М.: Наука, 1974. - 234 с.
3. Вяльцев А.Н. Дискретное пространство. - М.: Наука, 1995. – 340 с.
4. Голдберг С. Электронная теория Лоренца и теория относительности Эйнштейна//Успехи физических наук. – 1970. - №2. – С. 108-110.
5. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ЮНИТИ, 2005. – 290 с.
6. Концепции современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Серия «Учебники и учебные пособия» — 4-е изд., перераб. и доп. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 345 с.
7. Кунафин М.С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – Уфа: «ВОСТОК», 2003. – 256 с.
8. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. – 345 с.
9. Недельский Н.Ф., Олейников Б.И., Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М: Изд. Мысль, 1996. – 285 с.
10. Пенроуз Р. Структура пространства - времени. - М.: Мир, 1972. – 189 с.
11. Савченко В.Н., Смагин В.П.. Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. – 367 с.
12. Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд. - М.: Просещение, 1976. – 256 с.
13. Философский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1989, - 656 с.
14. http://www.bse.sci-lib.com/article126043.html
15. http://www.chronos.msu.ru/lorentz.html
16. http://www.kse.historic.ru/books/item/f00/s00/z0000688/st001.shtml
17. http://www.lib.mexmat.ru/books/5240
18. http://www.nrc.edu.ru/est/r2/index.html
19. http://www.terme.ru/dictionary/176/word/diskretnost.html

 
 

 

Приложение № 1

     Эволюция  физической картины мира

 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приложение  № 2

Шкала электромагнитных волн 

       

                             

                     Рисунок 1.                                                                                   Рисунок 2.

       Гипотеза  Максвелла.                                                           Закон электромагнитной индукции

       Изменяющееся  электрическое поле                                            в трактовке Максвелла               

       порождает магнитное поле