Важнейшее достижение физики первой половины ХIХ века - создание волновой теории света. В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые корпускулярной теорией объяснялись неудовлетворительно. Это приводит к возрождению, казалось, давно забытых идей волновой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.
Впервые в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. Томас Юнг (1773 – 1829). Юнг критиковал корпускулярную теорию света и указывал на явления, которые нельзя объяснить с ее позиций. Т. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира: “...Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться”.
Но, несмотря на то, что работы Юнга содержали новые очень важные результаты, свидетельствующие в пользу волновой теории света, они не поколебали господствующую тогда корпускулярную теорию.
В 1815 г. на арену борьбы с корпускулярной теорией выступил французский ученый Огюстен Френель (1788 – 1827). В 1818 г. Френель объединил все полученные результаты и изложил их в работе, представленной на конкурс, объявленный Французской Академией наук в 1817 г. Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Био, Араго, Лапласа, Гей-Люссака и Пуассона. Трое из них твердо придерживались корпускулярной теории и не могли испытывать симпатию к работе Френеля. Тем не менее изложенные результаты настолько хорошо соответствовали эксперименту, что просто отвергнуть данную работу было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее как будто бы здравому смыслу. Это следствие заключается в том, что в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эта “несообразность” была подтверждена на опыте, что произвело благоприятное впечатление на членов комиссии. В конце концов была признана правильность результатов теории Френеля и ему присудили премию.
Любая новая теория, решая одни проблемы, вместе с тем ставит и ряд новых. Так было и с волновой теорией света. В отличие от корпускулярной, волновая теория света должно была определиться с вопросом о свойствах среды, которая является носителем световой волны. Такая среда была названа эфиром. Каковы свойства эфира?
Ответ на этот вопрос предполагал решение двух фундаментальных проблем. Первая проблема связана с вопросом о том, какую волну представляют собой световые колебания - продольную или поперечную. Если бы световые волны были продольными, как и звуковые колебания, то теория эфира должна была бы строиться по аналогии с акустикой и теорией газов. Механистическая теория поперечных колебаний оказывается гораздо более сложной, так как такие колебания распространяются только в твердых (не газообразных) средах. Для ответа на вопрос о том, поперечной или продольной является световая волна, решающим оказалось объяснение поляризации света. Поляризация света могла быть полностью объяснена только, если исходить из гипотезы поперечных колебаний.
Вторая проблема состояла в решении вопроса о том, каким образом взаимодействует эфир с движущимся источником света. Иначе говоря, может ли эфир служить абсолютной системой отсчета для механического движения, поиск которой считал необходимым для обоснования физического знания И. Ньютон.
Проблема характера взаимодействия между движущейся Землей и эфиром как носителем световых волн конкретно она выражалась в вопросе: увлекается или не увлекается эфир Землей при ее движении в космосе. Если эфир не увлекается движущимися телами, значит он является абсолютной системой отсчета. И тогда механические, электрические, магнитные и оптические процессы были бы связаны в единое целое. Если эфир увлекается движущимися телами, то тогда он не является абсолютной системой отсчета, и значит существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но никакого взаимодействия в механических явлениях! Из этого, в свою очередь, следовал очень важный вывод, что необходимо было по разному объяснять явление аберрации, эффект Допплера и др.... Эта проблема в течение всего ХIХ столетия, вплоть до возникновения специальной теории относительности, определяла развитие фундаментальных проблем теоретической физики. Особенно она обострилась после создания Дж. К. Максвеллом теории электромагнитного поля.
Для физика начала ХIХ века не существовало понятия о поле как реальной среде являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине ХIХ века началось становление континуальной, полевой физики. Одновременно с возникновением волновой теории света, формировалась совершенно новая парадигма физического исследования - полевая концепция в физике. Особая заслуга принадлежит в этом великому английскому физику Майклу Фарадею (1791-1867), показавшего в 1831 г., что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу электродвигателя и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.
Фарадей формулирует новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы - лишь сгустки силовых линий поля.
Понятие поля оказалось очень полезным. Постепенно понятие поля завоевало руководящее место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий. Это понятие помогает Дж. К. Максвеллу построить теорию электромагнитного поля. Возникновение полевой концепции было началом становления континуальной физики.
Выработанное в оптике понятие “эфир” и сформулированное в теории электрических и магнитных явлений понятие “электромагнитное поле” сначала сближаются, а затем, уже в начале ХХ века, с созданием специальной теории относительности, полностью отождествляются.
3. Развитие представлений о пространстве и времени
Физики долгое время придерживались взглядов Ньютона на пространство и время и нередко повторяли его определения понятий абсолютного пространства и времени. Только со стороны некоторых философов понятие абсолютного пространства и времени подверглось критике. Так, Г.В. Лейбниц (1646-1716), этот “вечный оппонент” Ньютона, выступил с критикой субстанциальной концепции пространства и времени, отстаивая при этом принципы противоположной теории пространства и времени - реляционной. Лейбниц считал “пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство - порядком существований, а время - порядком последовательностей. Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия” (Лейбниц Г.В. Переписка с Кларком. - Сочинения в 4-х томах. Т.1, М., 1982, с. 441)..Однако критика Ньютона со стороны философов XVIII в., а также разработка реляционной концепции пространства и времени существенного воздействия на физику не оказали. Естествоиспытатели продолжали пользоваться представлениями Ньютона об абсолютном пространстве и времени, различаясь между собой лишь признанием или не признанием наличие пустого пространства.
Проблема пространства - особая проблема, она объединяет физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами евклидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся истина. Этот “здравый смысл” и был философски воплощен Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменныеаприорныеврожденные “формы чувственного созерцания”. Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, вообще являются единственно возможными.
Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии.
В 1826 г. Николай Иванович Лобачевский (1792 – 1856) сделал сообщение на заседании физико-математического факультета Казанского университета об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал работу “Начала геометрии”. В этой работе Лобачевский впервые показал, что можно построить непротиворечивую геометрию, отличную от всем известной и признанной геометрии Евклида, которая ранее казалась единственно возможной. (Через несколько лет, в 1832 г., венгерский математик Янош Больяй опубликовал работу, в которой (независимо от Лобачевского) также развил основные идеи неевклидовой геометрии). Хотя Лобачевский и называл свою геометрию “воображаемой”, тем не менее считал, что вопрос о том, законам какой геометрии подчиняется реальное пространство – евклидовой или неевклидовой геометрии – должен решить опыт, и прежде всего астрономические наблюдения. Лобачевский полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения. Он считал вполне возможным, что “некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой Геометрии” (Лобачевский Н.И. Полное собрание сочинений. Т. 2, М - Л., 1949, с. 159)., а вопрос о выборе той или иной геометрии должен решать астрономический опыт. (Лобачевский Н.И. Полное собрание сочинений. Т. 2, М-Л., 1949, с. 147).