Раздел I. КОНЕЦ КЛАССИЧЕСКОГО ПЕРИОДА
§ 2. Классическая теоретическая физика
В конце классического периода отдельные ветви физики объединились в единую и согласованную теоретическую картину мироздания, основные контуры которой таковы. В окружающей нас вселенной мы различаем две категории объектов: вещество и излучение. Вещество состоит из точно локализуемых корпускул, движение которых подчиняется законам механики Ньютона; состояние каждой корпускулы определяется в каждый момент ее положением и скоростью (или количеством движения — импульсом), т. е. всего шестью динамическими переменными. Излучение подчиняется законам электромагнитной теории Максвелла; динамические переменные излучения — число их бесконечно — суть составляющие в каждой точке пространства
электрического и магнитного полей. В отличие от вещества излучение нельзя разделить на отдельные корпускулы, локализованные в пространстве и сохраняющие эту локализацию с течением времени; излучение описывается волновыми процессами, которые находят свое отражение в хорошо известных явлениях интерференции и дифракции.
Корпускулярная теория вещества развивалась в течение всего XIX века. Вначале она ограничивалась механикой небесных тел и объектов макроскопических размеров, но в дальнейшем, когда была выдвинута атомная гипотеза строения вещества, корпускулярная теория стала рассматриваться как основа объяснения всех физических явлений и на микроскопическом уровне. Ввиду невозможности прямой проверки атомной гипотезы путем изоляции отдельных молекул и изучения их взаимодействия большое внимание было уделено косвенным доказательствам того, что макроскопические свойства материальных тел следуют из законов движения отдельных молекул, их составляющих. Математически эта проблема оказалась чрезвычайно сложной. Действительно, согласно гипотезе макроскопические величины должны рассматриваться как средние значения динамических переменных системы, обладающей очень большим числом степеней свободы. Не может быть и речи о точном решении уравнений движения такой системы и приходится прибегать к статистическим методам исследования. Так родилась и стала развиваться новая дисциплина — статистическая механика. Новые результаты в исследовании газов (кинетическая теория газов) и термодинамике (статистическая термодинамика) позволили проверить качественно, а в рамках возможной точности расчетов и количественно, основные положения корпускулярной теории вещества.
Волновая теория излучения также покоилась на солидной основе. В области оптики старое противоречие между волновой и корпускулярной природой света было разрешено в первой половине XIX века, когда решающие успехи в решении проблемы распространения волн (Френель) позволили исследовать все следствия волновой гипотезы и объяснить на основании этой гипотезы всю совокупность известных световых явлений,
включая и геометрическую оптику. В то же время быстро развивалось изучение электрических и магнитных явлений. Решающим успехом в этой области мы обязаны Максвеллу, который в 1855 г. предложил основные уравнения электромагнитной теории; основываясь на этих уравнениях, он предсказал существование электромагнитных волн (это предсказание было наглядно подтверждено в дальнейшем открытием волн Герца) и доказал, что световая волна есть электромагнитная волна частного вида. Так произошел синтез оптики и электричества.
К концу XIX века успехи программы классической физики производили большое впечатление. Казалось, что все известные в природе физические явления находят свое объяснение в общей теории вещества и излучения; в тех же случаях, когда такое объяснение не было найдено, неудачу можно было приписать математическим трудностям, не ставя под сомнение справедливость самих основных уравнений. Особенно значительным успехом казалась достигнутая общность и универсальность теории. Стремление объединить различные области науки в единой теории всегда было наиболее плодотворным стремлением целых поколений физиков. Однако физики описываемой эпохи приписывали теории гораздо большую степень единства, чем она на самом деле обладала. Действительно, явление распространения волн отнюдь не является присущим только электромагнетизму. Исследования колебательных процессов были проведены вначале на примерах чисто материальных колебаний (колеблющиеся струны, волны на поверхности жидкости и т. д.), а волновой характер акустических явлений стал очевиден задолго до открытия световых волн. Распространение волн в веществе никак не противоречит корпускулярной теории: здесь дело идет о макроскопическом явлении, которое нетрудно объяснить с точки зрения микроскопического движения, если принять существование подходящих сил взаимодействия. По аналогии физики классической эпохи искали соответствующую среду для распространения электромагнитных волн, некоторый материальный флюид, получивший наименование эфира, структура и механические свойства которого оставались неясными. Таким образом, основной субстанцией оказывалось некоторое вещество, подчиняющееся законам механики Ньютона и наделенное такими силами взаимодействия, что в определенных условиях в этом веществе проявляются волновые процессы, частным случаем которых и являются электромагнитные волны.
Эта концепция (в дальнейшем полностью оставленная) в описываемую нами эпоху привела к постановке целой серии экспериментов, которые мало что дали для выяснения природы эфира, но один из них привел к революционному перевороту всей классической физики. Мы имеем в виду знаменитый опыт
Майкельсона — Морли (1887 г.), поставленный с целью обнаружить движение Земли относительно эфира по изменению скорости света в зависимости от направления этого движения. После ряда более или менее искусственных попыток объяснить отрицательный результат этого опыта парадокс был окончательно разрешен Эйнштейном в 1905 г. в рамках его теории относительности, которая явилась результатом критического анализа понятий пространства и времени и привела к отказу от понятия абсолютного времени и ряда положений механики Ньютона. Эта последняя оказалась только некоторым приближением в релятивистской механике, справедливым, когда скорости частиц малы по сравнению со скоростью света с. Мы не будем рассматривать принцип относительности, но вернемся к нему в конце этой книги, когда приступим к изучению релятивистской квантовой механики. Отметим здесь только, что принцип относительности не ставит под вопрос ни доктрину, ни программу классической физики, в том виде как они были сформулированы выше.
