Максвеллдің электромагниттік өріс теориясын жасауы
Максвелл және электромагниттік өрістің қалыптасуы
Электромагнетизм саласында Фарадей ашқан жаңалықтарды көрнекті ағылшын физигі әрі математигі Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) дамытып, теориялық тұрғыдан кемелдендірді. Оның электромагнетизм теориясы электр мен магнетизмнің ажырамас байланысын айқындап берді.
Фарадей ұсынған идеяларға сүйене отырып, Максвелл электромагниттік өріс ұғымын енгізді. Ол Кулон, Ампер, Био–Савар сияқты ғалымдардың тәжірибелік жолмен ашқан заңдарын және Фарадейдің электромагниттік индукция құбылысын бір жүйеге келтіріп, таза математикалық әдіспен электромагниттік өрісті сипаттайтын дифференциалдық теңдеулер жүйесін тұжырымдады.
Негізгі түйін
Максвелл теңдеулері электромагниттік құбылыстарды барынша толық сипаттап, Ньютон механикасы тәрізді толыққанды әрі жетілген жаңа теорияның іргесін қалады. Бұл жүйе зарядтарға «байланбаған» өрістің өздігінен өмір сүре алатыны туралы түсінікті нығайтты.
Энтропия туралы қысқаша түсінік
Физикадағы негізгі ұғымдар қатарында температура мен энтропия да маңызды орын алады. Энтропия — энергияның қайтымсыз таралуының өлшемі. Статистикалық физикада энтропия белгілі бір макроскопиялық күйдің жүзеге асу ықтималдығын сипаттайды.
Классикалық электродинамикадағы өзек
Классикалық электродинамиканың негізгі ұғымы — электромагниттік толқын. Оны тудыратын екі құрамдас бір-біріне ауыса отырып өзгеретін электрлік және магниттік өрістер болып табылады. Бұл өрістердің сипаттамалары бір мезгілде, біртұтас жүйе ретінде қарастырылады.
Осыдан әрі физикадағы принциптер мен концепцияларды олардың уақыт бойынша эволюциясы тұрғысынан шолып көрейік.
Ломоносовтың әмбебап сақталу идеясы
Адамзат тарихында жан-жақты дарын иелері аз емес. Солардың алдыңғы қатарында ұлы орыс ғалымы, физик, астроном, химик және математик Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) ерекше орын алады. Оптика мен жылу, электр мен тартылыс, әдебиет пен тарих, метеорология мен өнер, геология және астрономия — Ломоносов із қалдырған бағыттардың бір бөлігі ғана.
Қазіргі зерттеулер оның физика мен химиядағы еңбектерінің әлемдік ғылымдағы рөлін тереңірек әрі жаңа қырынан ұғынуға мүмкіндік берді. Ломоносовтың ғылыми бастамалары көбіне жаңашылдыққа бастады.
Білім жолы және ғылыми инфрақұрылым
Ломоносов Мәскеудегі славян-грек-латын академиясында, Петербург ғылым академиясында оқып, кейін Марбург университетінде (Германия) металлургия, кен ісі және химия бойынша білім алды. 1755 жылы ол Мәскеу университетінің ашылуына негізгі ұйымдастырушылардың бірі ретінде үлес қосты.
Профессор атанған соң алғашқы химиялық зертхананы құрып, «Эксперименттік Вольфиан физикасын» өз аудармасында жариялады. Осы басылым арқылы орыс физикасы ана тіліндегі алғашқы оқулыққа ие болып қана қоймай, ғылыми орыс тілінің негіздері де қаланды.
Физикалық химия және сақталу қағидасы
1752–1754 жылдары ол физикалық химия бойынша мүлде жаңа мазмұндағы курс дайындап, дәрістер оқыды — іс жүзінде жаңа ғылым саласының негізін қалады. Ломоносов жылу мен газдардың кинетикалық теориясын дамытуға үлес қосып, материя мен қозғалыстың сақталу идеясын тұжырымдағандардың бірі болды. Сондай-ақ ол температураның абсолют нөлі бар екенін алдын ала болжады.
Ғалым электр мен жарық құбылыстарының байланысы, солтүстік шұғыласының электрлік табиғаты туралы ой айтты, жарықтың толқындық теориясын қорғады. Оның көптеген идеялары өмірден өткеннен кейін де 100–150 жыл бойы ғылымда біртіндеп жүзеге асырылды.
Алдын ала айтылған тәжірибелерге мысалдар
Өлшеу идеясы
«Электрлендірілген таразы тостағанының темір плитаға тартылатынын» бақылап, Ломоносов электр күшін таразымен өлшеуге болатынын қорытты. Бұл идея кейінірек абсолюттік электрометр арқылы дамытылды.
Оптикалық әсер
Ол «жарық сәулесі электрленген шыны мен суда басқаша сына ма?» деген сұрақ қойып, арнайы тәжірибе қажет екенін атап өтті. Кейін 1875 жылы Керр электр өрісінде сәуленің қосарланып сынатынын көрсетті.
Ломоносов табиғат құбылыстарын біртұтас көзқараспен түсіндіретін терең философиялық жүйе құруды армандады және зерттеулерінде мына қағиданы басшылыққа алды:
«Табиғат өз заңдарын берік сақтайды және ол барлық жерде бірдей».
Эйнштейн және гравитациялық өріс теориясы
1916 жылы Альберт Эйнштейн салыстырмалықтың жалпы теориясын жариялап, бұл жолы гравитациялық өзара әсер туралы түсініктерде түбегейлі төңкеріс жасады. Теорияның іргетасы 1907 жылы тұжырымдалған эквиваленттік принципіне сүйенеді.
Инерттік және гравитациялық масса
Ньютонның екінші заңындағы «масса» — дененің қозғалыс күйінің өзгерісіне қарсыласуын сипаттайтын инерттік масса. Ал бүкіләлемдік тартылыс заңындағы «масса» — тартылыс тудыратын гравитациялық масса.
Галилей гравитациялық өрісте денелер салмағына қарамастан бірдей үдеумен құлайтынын көрсеткен. Осыдан инерттік және гравитациялық массалардың теңдігі туындайды (кейде бұл тұжырым әлсіз эквиваленттік принцип деп аталады).
Лифт мысалы: неге «айыру» мүмкін емес?
Эквиваленттік принцип гравитациялық өрістегі құбылыстар мен үдемелі қозғалыстағы инерциялық емес жүйедегі құбылыстардың терең ұқсастығын көрсетеді. Эйнштейн ұсынған әйгілі мысалда сіз жабық лифт кабинасында тұрсаңыз, онда ішкі тәжірибелер арқылы тартылыс әсерін үдемелі қозғалыс әсерінен айыру мүмкін болмайды: кабина ішіндегі құбылыстар бірдей көрінеді.
Принцип салдары
- Үлкен масса маңында жарық сәулесі ауытқуы мүмкін.
- Гравитациялық өрістен шыққан жарық қызыл ығысуға ұшырайды.
Бұл салдарлар тәжірибе жүзінде расталған.
Кеңістік-уақыт қисықтығы
Жалпы салыстырмалықтағы шешуші идеялардың бірі — кеңістік-уақыттың қисықтығы. Эйнштейннің болжамынша, үлкен массалы денелер маңында кеңістік қана емес, кеңістік-уақыттың өзі қисаюы тиіс; ал жарық пен бөлшектер ең қысқа жолмен — геодезиялық сызықтар бойымен қозғалады.
Басқаша айтқанда, тартылыс — массалы денелердің маңындағы кеңістік-уақыттың геометриялық қасиеттерінен туындайды. Дене неғұрлым ауыр әрі тығыз болса, ол қоршаған кеңістік-уақытты соғұрлым көбірек «қабыстырады», ал бұл көрші денелерге әсер ететін тартылыс ықпалын арттырады.
Уилердің тұжырымы
«Зат кеңістікке оның қалай қабысу керектігін айтады, ал кеңістік затқа оның қалай жылжу керектігін айтады».
Бұл сөздер жалпы салыстырмалықтың мазмұнын қысқа да нұсқа жеткізеді.
Жалпы салыстырмалық кеңістік, уақыт және Әлем туралы түсініктерімізді түбірімен өзгертті. Нәтижесінде қандай да бір «центризмнен» бас тарту күшейіп, біз бақылай алатын Әлем (метагалактика) біртекті әрі изотропты дамитын шексіз космологиялық модель ретінде қарастырыла бастады.
Кванттық идеялар: материя толқыны және ықтималдық
1926 жылы австриялық физик Эрвин Шредингер материя толқындарын сипаттайтын математикалық теңдеуді — Шредингер теңдеуін — ұсынды. Луи де Бройльдің бөлшек пен толқынның дуализмі туралы батыл гипотезасы материя мен жарықты біртұтас тұрғыдан талдайтын теориялардың дамуына жол ашты.
Тәжірибелік дәлел
Де Бройль гипотезасын тәжірибе арқылы тексеру қажет болды. 1927 жылы америкалық физиктер Клинтон Дэвиссон мен Лестер Джермер электрондардың дифракциясын байқап, материяның толқындық қасиеті бар екенін көрсетті. Кейін нейтрондар, атомдар және молекулалар үшін де дифракция құбылысы тіркеліп, нәтижелер гипотезаны растады.
Жарықтың дуализмі және интерференция
Сонымен, жарық бөлшек ретінде де, толқын ретінде де әрекет ете алады. Дуализмнің айқын дәлелдерінің бірі — интерференция: екі жарық сәулесі қабаттасқанда экранда кезектескен қараңғы және жарық жолақтар пайда болады.
Интерференциялық суретті толқындық модельмен де, жарықты фотондардан тұратын бөлшектер ағыны ретінде алып та есептеуге болады. Кванттық сипаттама экранның кей аймақтарында (жарық жолақтарда) фотонды табу ықтималдығы жоғары, ал басқа аймақтарда (қараңғы жолақтарда) төмен болатынын көрсетеді.
Кванттық механиканың басты ерекшелігі
Кванттық механиканың негізгі идеясы — микроәлемде оқиғаларды ықтималдық сипаттайды. Мысалы, бір фотонның экранның нақты қай нүктесіне түсетінін алдын ала дәл айту мүмкін емес; тек әртүрлі нәтижелердің ықтималдығын есептеуге болады. Бөлшектер саны өте көп болғанда ғана статистикалық болжамдар жоғары дәлдікке жақындайды.
Бұл тұжырым біздің оқиғалардың дамуын болжау мүмкіндіктеріміздің белгілі бір шектеулері бар екенін білдіреді.
Гейзенбергтің белгісіздік принципі
1927 жылы неміс физигі Вернер Гейзенберг (1901–1976) атақты белгісіздік принципін нақты тұжырымдады: бөлшектің бірін-бірі толықтыратын екі шамасын (мысалы, координатасы мен импульсін немесе жылдамдығын) бір мезгілде дәл өлшеу мүмкін емес.
Гейзенберг бұл ойды гипотетикалық микроскоп мысалымен түсіндірді. Егер импульсі дәл белгілі электронның координатасын анықтау үшін оны «көргіміз» келсе, оған жарық түсіруіміз қажет, яғни фотондар шоғын бағыттаймыз. Бірақ фотон электронмен соқтығысып, энергиясының бір бөлігін беріп, электронның импульсін белгісіз мөлшерге өзгертеді. Нәтижесінде координата дәлірек болған сайын, импульс туралы біліміміз көмескілене түседі — және керісінше.