Предпосылки разрушения механистической картины мира
Механистическая картина на протяжении долгого периода времени была определяющей, еще в конце 19 века основная часть ученых считали ее истинной, неизменной. Однако физическое мировоззрение в первые десятилетия 20 века поменялось кардинально. Это произошло в результате новых открытий в физике.
Так, в 1896 году французским ученым-физиком Антуаном Анри Беккерелем было открыто явление самопроизвольного излучения урановой соли. А двумя годами позже, в 1898 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри обнаружили новые элементы – радий и полоний, которые также обладали способностью излучать так называемые беккерелевы лучи. Это свойство элементов они назвали радиоактивностью.
В 1897 году была открыта первая элементарная частица. Заслуга в открытии электрона принадлежит английскому физику Джозефу Джону Томсону, который затем еще обнаружил зависимость массы электрона от его скорости. Позже, в 1903 году, Томсоном была предложена первая модель атома, получившая название электромагнитной. В соответствии с этой моделью, составными частями атомов все веществ являются электроны, несущие отрицательный заряд. Располагаются эти электроны внутри сферы, имеющей положительный заряд. Сохранение электронами строго определенного места в сфере объясняется результатом равновесия между равномерно распределенным положительным зарядом сферы и отрицательными зарядами электронов.
Английский физик Эрнест Резерфорд в 1911 году создал свою модель атома, получившую название планетарной. Согласно планетарной модели атома, атом похож на Солнечную систему, так как состоит из атомного ядра, заряженного положительно, и электронов, вращающихся вокруг него, которые имеют отрицательный заряд, В целом атом является электронейтральным. Однако планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Законы электродинамики гласят, что любое тело или частица, которое имеет электрический заряд и движется с ускорением, обязательно излучает электромагнитную энергию. Исходя из этого, электроны, теряя энергию, должны приблизиться к ядру и упасть на него. Тогда атом прекратит свое существование.
Еще одна модель строения атома – квантовая, была предложена в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. В основе квантовой модели атома лежали следующие положения:
- в любом атоме есть стационарные состояния, при нахождении в которых атом не излучает энергию
- в процессе перехода атома из одного дискретного (стационарного) состояния в другое происходит излучение и поглощение порции энергии.
Теория Планка
Так возникла новая теория движения микрочастиц в квантовой механике. Начало этой теории было заложено немецким ученым Максом Планком, который в 1900 году сформулировал гипотезу, которая предполагала, что испускание и поглощение электромагнитного излучения возможно только дискретно, предельными квантами.
Основываясь на предположении Планка о квантах, в 1905 году Альберт Эйнштейн нашел объяснение природе фотоэффекта. Согласно его выводам, под действием отдельного светового кванта - фотона, из металла выбивается электрон, который при этом теряет свою энергию. Какая-то часть этой энергии направляется на разрыв связи электрона с металлом. Таким образом, Эйнштейн выявил зависимость энергии электрона от частоты фотона и энергии связи электрона с металлом.
Однако проблема заключалась в том, что определение энергии фотона было возможно только представив его в виде волны, имеющей соответствующую длину и частоту. Соответственно, фотон являлся одновременно и волной, и частицей, о есть распространяется фотон как волна, а поглощается и излучается как частица.
В начале 20 века Эйнштейн сформулировал теорию относительности.
Корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц
В 1924 году французским ученым Луи де Бройлем было выдвинуто предположение о волновых свойствах материи. Это предположение было подтверждено экспериментальным путем, и гипотеза де Бройля стала принципиальной основой квантовой механики.
С позиции квантовой механики рассматривались объекты микромира. У этих объектов была обнаружена корпускулярно – волновая двойственность – дуализм элементарных частиц. Возник вывод, что движение микрочастиц во времени и в пространстве нельзя сравнивать с механическим движением объектов макромира мира, так как движение микрочастиц подчиняется другим законам – законам квантовой механики.
В результате этих открытий ученые пришли к выводу о непригодности законов классической механики при исследовании объектов микромира. Этот вывод подтвердился установленным немецким ученым Вернером Гейзенбергом соотношения неопределенностей. Согласно этому соотношению, если известно положение частицы в пространстве, импульс остается неизвестным, и наоборот. Соотношение неопределенностей является одним из основополагающих положений квантовой механики.
Таким образом, все эти открытия кардинально изменили взгляды на мир, существовавшие ранее. Универсальность законов классической механики оказалась под сомнением. Ученые пришли к пониманию того, что решение всех научных проблем при помощи понятий классической механики и уравнений невозможно. Новые открытия разрушили существовавшее представление о неделимости атома. Выяснилось. Что атом не является бесструктурным элементом, а является сложной системой частиц. Наличие свойств частицы и волны у каждого элемента материи позволило определить новую картину мира. основным материальным объектом физики стало квантовое поле. Кардинально изменилось представление о движении, установились представления об относительности времени и пространства. Было доказано, что пространство и время находятся в зависимости от материи, и от друг друга. Становление атомной физики и ее дальнейшее стремительное развитие привело к окончательному разрушению господствовавшей механистической картины мира.
Так началось формирование новой картины мира.
