Классическая физика

Однако подлинная научная революция в эпоху Возрождения произошла вначале в астрономии с появлением знаменитого труда Николая Коперника (1473-1543 гг.) “Об обращении небесных сфер” (1543 г.), в котором утверждается новое представление о строении мира и места в нем Земли и в котором он отверг продержавшуюся в науке более 13 веков систему мира Аристотеля-Птолемея и разработал гелиоцентрическую систему мира.

Следующий крупный вклад в создание теории движения планет в гелиоцентрической системе, в создание небесной механики внес немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571-1630 гг.).

Научная революция на рубеже XVI-XVII вв. достигает наибольшего размаха в деятельности самой крупной фигуры европейской физической науки того времени Галилео Галилея (1564-1642 гг.).

Он не только защищает и распространяет учение Коперника, но утверждает новое мировоззрение, новый взгляд на 38

научное познание, на задачи и метод науки. В результате его деятельности и ряда других ученых, в частности Фрэнсиса Бэкона (1561-1626 гг.) и Рене Декарта (1596-1650 гг.), начинает развиваться экспериментальное естествознание и, в частности, одна из важнейших ее частей самостоятельная наука физика.

Помимо научных исследований в области физико-математических наук Галилей много внимания уделял решению технических проблем своего времени. Так, например, Галилей в 1609 г. сконструировал зрительную трубу — телескоп и первым среди астрономов использовал ее в астрономических наблюдениях. В результате он получил целый ряд аргументов, подтверждающих учение Коперника. Свои взгляды на систему Коперника он изложил в книге “Диалог о двух главнейших системах мира” (1632 г.).

В другом крупном научном труде “Беседы и математические доказательства о двух новых науках”, вышедшем в 1638 г., он изложил результаты своих исследований по механике и акустике. Здесь он сформулировал два важнейших принципа в механике — принцип инерции, т. е. свойство тел сохранять свою скорость, и классический принцип относительности движения, заключающийся в том, что все законы движения одинаковы в любых системах отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Установление этих важнейших принципов сделало Галилея основоположником классической механики.

Из других направлений исследований следует отметить многочисленные опыты Галилея по изучению закона свободного падения тел. Экспериментальный метод Галилея позволил установить, что скорость падения тел не зависит от их массы (в противоположность точке зрения Аристотеля), а пропорциональна времени падения, и все тела падают с одинаковым постоянным ускорением.

Галилей также заложил основы динамики. С его исследований, собственно говоря, и начинает развиваться эта область физических наук, а Галилео Галилей справедливо считается родоначальником физической науки в современном ее пони мании. Как уже отмечалось, на рубеже XVI-XVII вв. утверждается экспериментальное естествознание, т. е. возникает экспериментальный и математический метод исследования. В этот период возникает новая философия, философия материализма. Крупнейшими ее представителями были Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт.

Ф. Бэкон создает так называемый “индуктивный” метод научного исследования, который заключается в необходимости постепенного последовательного накопления опытных данных, которое дополнятся теоретическим анализом с использованием математики, для построения обобщающей научной теории.

Декарт по-другому рассматривал процесс познания. Он создал так называемый “дедуктивный” метод, суть которого заключалась в следующем. Сначала надо установить некие общие принципы, лежащие в основе всех законов и явлений природы, а затем с помощью дедукции вывести множество частных закономерностей, проверяемых на опыте. Опыт здесь играет роль критерия правильности частных выводов из общих принципов. Особое внимание он также уделял математизации физики.

Важнейшие философские и физические идеи Декарта нашли отражение в “Началах философии” (1644 г.). Декарт предложил общие принципы. Он полагал, что этими принципами являются основные свойства материи и ее движения. Из общих положений он формулирует принцип сохранения движения в природе. А затем он впервые устанавливает закон, близкий по смыслу к современному закону сохранения “количества движения”.

В 1637 г. вышла его книга “Рассуждение о методе как средстве направлять свой разум и отыскивать истину в науках”. Здесь он применил свой метод для решения некоторых вопросов в геометрии и оптике. В области геометрии Декарт изложил начала аналитической геометрии, ввел “метод координат”. В оптике он сформулировал закон отражения и преломления света.

Английского ученого Уильяма Гильберта (1544-1603 гг.) называют “отцом науки об электричестве и магнетизме”. Он проводил классические опыты с магнитной стрелкой, что позволило ему улучшить компас.

Большой заслугой Галилея перед наукой является также то, что он создал целую школу своих последователей — блестящих физиков-экспериментаторов.

В последние годы жизни Галилея его помощником при проведении опытов по механике был Эвангелиста Торичелли (1608-1647 гг.), который в дальнейшем развил область механики, связанную с баллистикой, с движением тел в воздухе. В результате Торичелли установил существование атмосферного давления и разработал методы его измерения. Он впервые выяснил, что ветер — это движение воздушных масс, возникающее из-за разности атмосферного давления. А в 1643 г. он разработал метод получения вакуума (“торичеллиевой пустоты”).

Вторая половина XVII в. отмечена существенным продвижением принципиального характера в области оптических исследований.

Франческо Гримальди (1618-1663 гг.) в сочинении “Физический трактат о свете, цвете и радуге” описал эксперименты, приведшие его к открытию дифракции света. Термин “дифракция” введен Гримальди и используется до сих пор. Им также было описано явление интерференции света.

В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин (1625-1698 гг.) открыл явление двойного лучепреломления в исландском шпате.

Значительное внимание в этот период уделялось и вопросу о природе света. Еще в древние времена наметилось два основных взгляда на природу света, которые в XVII в. оформились в два основных направления. Согласно первому из них свет — это некое действие или движение, передающееся от светящегося предмета особой средой. Согласно второму свет — это некоторая субстанция, распространяющаяся от светящегося тела. Эти направления явились исходном пунктом двух теорий света — волновой и корпускулярный.

В XVII в. было немало ученых, которые придерживались корпускулярной теории и рассматривали свет как поток особых атомов — световых частиц. Это были, например, Г. Галилей и И. Ньютон.

Основателем волновой теории можно считать Декарта. Сторонниками этой теории были также крупнейшие ученые XVII в. голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695 гг.) и англичанин Роберт Гук (1635-1703 гг.).

Свои работы по оптике Гюйгенс обобщил в “Трактате о свете” (1690 г.), где он изложил стройную волновую теорию света. В ней он впервые ввел понятие эфира, заполняющего все пространство. Рассматривая свет как распространение движения в эфире, обладающем определенными свойствами, Гюйгенсу удалось объяснить с точки зрения волновой теории прямолинейное распространения света, законы отражения и преломления, в том числе и двойное лучепреломление света. Объясняя механизм распространения света в эфире, он выдвинул свой знаменитый принцип, носящий его имя. Другим достижением Гюйгенса в оптике было открытое им в 1678 г. явление поляризации света.

Другим крупным физиком — сторонником волновой теории света был Р. Гук, который, как и Гюйгенс, имеет большие заслуги как в оптике, так и в механике. В области оптики он впервые выдвинул гипотезу о поперечности световых волн (что, как известно, подтвердилось в дальнейшем). Гук заложил основы физической оптики и микроскопии, высказал прогрессивные идеи о природе света и теории цветов. Он существенно усовершенствовал микроскоп и впервые применил его для научных исследований. В области механики Гук открыл закон, носящий его имя, играющий важную роль в теории упругости материалов.

Важным достижением оптики в XVII в. было также определение скорости света, произведенное датским астрономом Оле Кристенсеном Ремером (1644-1710 гг.). Ремер, наблюдая за одним из спутников Юпитера, впервые доказал конечность скорости света и сделал соответствующие количественные оценки.

И замыкает плеяду выдающихся ученых XVII — начала XVIII в. великий английский математик, физик, астроном и философ Исаак Ньютон (1643-1727 гг.).

В области математики он создал важнейшие разделы современной высшей математики — дифференциальное и интегральное исчисление. В области физики он, как и многие другие его современники-физики, занимался проблемами оптики и механики.

Свои основные достижения в оптике он опубликовал в большом труде “Оптика”, вышедшем в 1704 г. Здесь Ньютон изложил свои опыты по дисперсии солнечного света и впервые дал научное объяснение этому явлению. Эти исследования сыграли большую роль в дальнейшем развитии взглядов на природу света. В частности, результаты этих опытов было легко толковать с точки зрения корпускулярной теории.

Другим достижением было наблюдение хорошо известного сейчас интерференционного явления, названного “кольцами Ньютона”. И, наконец, в последней части “Оптики” дается описание экспериментов по дифракции света.

Однако главные и важнейшие открытия Ньютон сделал в области механики. Он создал основы классической механики и разработал теорию движения небесных тел. Основное научное наследие Ньютона содержится в его главном труде — “Математических началах натуральной философии”, вышедшем в 1687 г. (окончательный вариант издан в 1726 г.).

В “Началах” при формировании основных понятий механики он прежде всего коснулся общих методологических вопросов: о пространстве и времени, о силе, о природе силы тяжести. Затем Ньютон более точно определил понятие силы (F), “врожденной силы” (инерции) и массы (ш) как количественной меры материи, а также количественную меру движения — “количество движения” (mv, где v — скорость движущегося тела).

После определения основных понятий механики он устанавливает общеизвестные сейчас три знаменитых закона механики, которые и составляют основу классической механики. Важно подчеркнуть, что законы механики представлены им в строгом, количественном математическом виде.

Введение Ньютоном понятия силы как причины изменения движения сыграло огромную роль в дальнейшем развитии науки, так как во многих других разделах физики ученые прежде всего стремились установить природу тех или иных сил (электромагнитных, ядерных, сил тяготения и т. д.). Да и сам Ньютон для объяснения законов небесной механики нашел выражение для силы, действующей между телами, имеющими массы т₁ и т₂: m,m₉ „

p ₌ у—!—где R — расстояние между телами; у — так назы-^г R²

ваемая гравитационная постоянная.

Таким образом, применение законов механики позволило Ньютону дать теоретическое описание гелиоцентрической системы мира. А следующим шагом на этом пути явилось открытие им закона всемирного тяготения.

Итак, Ньютон сыграл важнейшую роль в развитии физики. Он является одним из основателей современной научной методологии, основоположником классической механики. Он завершил период становления физики как самостоятельной науки. Ньютон окончательно отделил физику от натурфилософии и наметил научную программу, по которой развивалась физика в XVH-XIX вв.

С общенаучной, философской точки зрения в этот период продолжалась борьба между двумя основными концепциями строения материи — корпускулярной (Демокрит) и континуальной (Аристотель). Что касается строения вещества, то большинство ученых придерживалось атомистической (корпускулярной) концепция. С другой стороны, исследования по оптике, где встал вопрос о природе света, в большей мере отдавали предпочтение континуальной точке зрения. Открытие таких явлений, как дифракция, интерференция, поляризация света, привело к утверждению волновой теории света (Гюйгенс, Гук), распространяющегося через некую упругую среду — эфир. В то же время многие ученые, в том числе и Ньютон, считали, что свет представляет собой поток частиц — корпускул. Окончательный ответ на этот многовековой спор в науке был дан только в XX в.

Физика XVIII-XIX вв.

Основными направлениями исследований после Ньютона, помимо традиционных разделов — механики и оптики, стали тепловые процессы, электричество и магнетизм.

В XVIII в. изучение механики, оптики, тепловых, электрических и магнитных явлений протекало в значительной мере обособленно, и только в XIX в. появляется понимание единства общей физической картины мира, того, что отдельные явления в каждом из указанных разделов физики отражают превращение различных форм энергии друг в друга — механической, тепловой и электромагнитной.

В связи с этим вначале целесообразно дать краткую историческую характеристику каждого из указанных направлений.

Механика. После установления Ньютоном основных законов и принципов в механике возникла необходимость разработки удобных математических методов решения конкретных статических и динамических задач. В связи с этим была создана аналитическая механика (математическая механика). Наибольший вклад в это направление внесли Леонард Эйлер (1707-1783 гг.) (основное сочинение — “Механика, или Наука о движении, изложенная аналитически”, 1736 г.), Жан Лерон Даламбер (1717-1783 гг.) (“Трактате динамике”, 1743 г.), Жозеф Луи Лагранж (1736-1813 гг.) (“Аналитическая механика”, 1788г.) и Уильям Роуан Гамильтон (1805-1865 гг.) (“Общий метод динамики”, 1834-1835 гг.).

Труды указанных механиков-математиков завершили период разработки классической механики. А созданные ими аналитические методы в современной теоретической физике не только приобрели огромное значение для механики, но и получили широкое применение практически во всех других разделах — в термодинамике, электродинамике, акустике, атомной физике.

Оптика, наряду с механикой, является одним из самых древнейших предметов исследований. К началу XVIII в. состояние дел в оптике было следующим. Были открыты законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света. Эти законы нашли свое объяснение в рамках теории геометрической оптики, в основе которой использовались представления о “световом луче”.

К этому времени был открыт и экспериментально изучен ряд оптических явлений, в том числе дифракция, дисперсия, двойное лучепреломление, интерференция, поляризация.

Для понимания и объяснения всей совокупности вновь открытых явлений стала развиваться новая ветвь теоретической оптики — физическая оптика, центральным вопросом которой стал вопрос о природе света.

Как уже отмечалось, к этому времени сложились две противоположные точки зрения — корпускулярная и волновая. В первом случае считалось, что свет — это поток частиц-корпускул, движущихся от источника света с большой скоростью. Волновая теория исходила из представления о том, что светящееся тело возбуждает вблизи себя некую тонкую невесомую среду — эфир, которым заполнено все пространство, и это возбуждение в виде продольной волны (как звук от источника звука распространяется в виде продольных акустических волн по воздуху) распространяется в окружающее пространство.

Сторонники корпускулярной точки зрения, в том числе и Ньютон, смогла объяснить со своих позиций прямолинейное распространение, законы отражения и преломления света, явление дисперсии и цветовые ощущения.

Сторонники волновой концепции, и прежде всего Гюйгенс, со своей точки зрения объясняли законы отражения и преломления, в том числе и двойного лучепреломления. Однако объяснить прямолинейное распространение света Гюйгенсу не удалось. Это стало решающим аргументом в пользу корпускулярной теории, которая была доминирующей весь последующий XVIII в. И только в XIX в. вновь было обращено внимание на работы Гюйгенса.

В оптике происходит революция, закончившаяся победой волновой теории света. Эта революция связана с именами Томаса Юнга (1773-1829 гг.) и Огюстена Френеля (1788-1827 гг.), а в 1850 г. Арман Физо (1819-1896 гг.) и Жан Фуко (1819-1868 гг.) измерили скорость света.

Разработанная Т. Юнгом и О. Френелем в XIX в. волновая оптика теоретически объяснила все известные оптические явления: прямолинейность распространения света, отражение, дифракцию, интерференцию, поляризацию, дисперсию, двойное лучепреломление.

А в конце XIX в. наиболее прецизионные изменения скорости света были проведены в экспериментах Альберта Май-кельсона (1852—1931 гг.). В этих экспериментах скорость света определена в 3 10⁸ м/с. Заметим также, что эти опыты, как будет показано ниже, сыграли важнейшую роль в обосновании специальной теории относительности Энштейна.

Исследование тепловых явлений. Изучение тепловых явлений по-настоящему начало развиваться только в XVIII в. после изобретения приборов и устройств для измерения температуры— термометров и количества теплоты — калориметров. Кроме того, такие исследования получили большой стимул в связи с запросами практики, поскольку в XVIII в. важнейшим достижением техники было изобретение паровых машин.

Первые практически пригодные термометры были изобретены только в XVIII в. Наиболее удачные варианты термометров с различными температурными шкалами были разработаны Габриелем Даниэлем Фаренгейтом (1686-1736 гг.), Рене де Реомюром (1683-1757 гг.) и Андерсом Цельсием (1701-1744 гг.).

В дальнейшем, в XIX в. была принята более удобная в ряде случаев температурная шкала, так называемая термодинамическая шкала, предложенная в 1848 г. Уильямом Томсоном (лордом Кельвином, 1824-1907 гг.), в которой абсолютный нуль соответствует - 273,2 °C. Шкала Кельвина наиболее удобна для описания тепловых процессов и законов теплового излучения.

Изобретение термометра дало возможность заняться количественными исследованиями тепловых явлений. Постепенно выяснилось, что теплота имеет две меры — температуру и количество теплоты.

К 80-м гг. XVIII в. сложились основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г. сочинении “Мемуары о теплоте” французских ученых Антуана Лавуазье (1743-1794 гг.) и Пьера Лапласа (1749-1827 гг.), подводящем итог развития учения о теплоте к этому времени, понятия температуры, количество теплоты, теплоемкости и т. д. считаются установленными.

Следующим этапом явились исследования по изучению явления теплопередачи. Было установлено, что этот процесс осуществляется различными способами, имеющими разную физическую природу. Возникли два самостоятельных понятия — теплопроводности и теплового излучения.

Что касается теплопроводности, то во второй половине XVIII в. начали проводиться теоретические и экспериментальные исследования этого явления, а в начале XIX в. французским ученым Жан-Батистом Фурье (1768-1830 гг.) была создана теория теплопроводности. Работы по тепловому излучению получили развитие позже, уже в XIX в., и завершились установлением основных законов теплового излучения Людвигом Больцманом (1844-1906 гг.), Вильгельмом Вином (1864-1926 гг.), Максом Планком (1858-1947 гг.).

В XVIII в. начинались систематические исследования расширения тел при нагревании. Особенно это было важно для газов, в свете появившегося интереса к изучению физических процессов в паровых машинах. В результате было открыто несколько газовых законов для различных термодинамических условий — изотермического, изобарического, изохорического, адиабатического.

На повестку дня были поставлены вопросы получения максимального коэффициента полезного действия тепловых машин. Одним из первых эту проблему решил Никола Леонар Сади Карно (1796-1832 гг.).

В 1824 г. выходит его сочинение “Размышления о движущей силе огня и о машинах, свободных развивать эту силу”, где он предложил “идеальный” цикл работы тепловых двигателей и доказал, что их эффективность определяется в “идеальном двигателе” только температурами нагревателя (Т^ и охладителя (Т₂), а коэффициент полезного действия (ц) в этом случае будет равен т] = (Т, - Т₂)/Т_г

Представления Карно о тепловых процессах были в дальнейшем развиты Бенуа Клапейроном (1799-1864 гг.), Кельвином и Рудольфом Клаузиусом (1822-1888 гг.).

Изучение процесса превращения механическими системами теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии и обосновании закона сохранения и превращения энергии. Хотя идею этого закона высказывали многие ученые, приоритет оформления идеи в важнейший физический закон принадлежит двум немецким ученым-медикам Роберту Майеру (1814-1878 гг.) и Юлиусу Герману Гельмгольцу (1821-1897 гг.) и английскому физику Джеймсу Джоулю (1818-1889 гг.).

Открытие закона сохранения и превращения энергии сыграло решающую роль в последующих исследованиях процессов превращения теплоты в работу, что привело к созданию основ термодинамики. Ведущую роль здесь сыграли работы Р. Клаузиуса, опубликованные в 1864-1867 гг.

Основу термодинамики составили два основных закона — “начала”. Первое начало термодинамики — это применение к тепловым процессам закона сохранения энергии. Согласно первому началу термодинамики термодинамическая система может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или каких-либо внутренних источников энергии.

Второе начало в формулировке Клаузиуса следующее: “Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому”. Второе начало термодинамики отражает идеи Л. Н. С. Карно о невозможности полного превращения тепла в механическое движение и звучит следующим образом: “Невозможно построить тепловую машину с КПД, равным 100%”.

Развивая свои термодинамические идеи, Клаузиус в 1865 г. предложил новое физическое понятие для определения меры рассеяния энергии — энтропию S (от греч. entropia — “превращение”). S = ^а изменение энтропии dS = dQ/T. Оказалось, что с помощью энтропии удобно рассматривать направление протекания тепловых процессов, и был установлен закон возрастания энтропии. Общая формулировка этого закона следующая: “В замкнутых изолированных системах при необратимых процессах энтропия может только возрастать”. Это также одна из формулировок второго начала термодинамики. Изменение энтропии всегда положительно указывает на асимметрию природных явлений, т. е. на однонаправленность происходящих в ней процессов.

Дальнейшее развитие термодинамика получила в работах Дж. У. Гиббса и Л. Больцмана. Гиббс создал математическую, аналитическую термодинамику в 1875-1878 гг., используя метод термодинамических функций и введя понятия энтальпии, свободной энергии и термодинамического потенциала Гиббса. Разработанный подход Гиббса широко используется до сих пор не только в физике, но и в химии.

Л. Больцман — основоположник статистической физики — обосновал второе начало термодинамики в рамках разработанной им молекулярно-кинетической теории тепловых процессов. Он открыл связь между энтропией и вероятностью состояния системы.

Закон возрастания энтропии получил у Больцмана простую интерпретацию: “Система стремится к наиболее вероятному состоянию”. Таким образом, второе начало термодинамики становится законом статистическим.

В дальнейшем М. Планк дал простой вывод соотношения между энтропией и вероятностью. Оно имеет следующий вид S = К In W , где S — энтропия, W — вероятность, К — постоянная Больцмана (так ее назвал Планк).

Таким образом, во второй половине XIX в. окончательно утвердился молекулярно-кинетический взгляд на тепловые процессы, а сама теплота стала пониматься как одна из форм движения материи (наряду с механической, химической, электромагнитной, ядерной).

Электромагнитные явления. После исследований Уильяма Гильберта (1544-1603 гг.) (он первым ввел термин “электричество”) в течение более ста лет в учении об электричестве и магнетизме практически не было получено никаких новых данных. Но уже в первой половине XVIII в. произошли существенные изменения в области изучения электромагнетизма. Во-первых, англичанин Стефан Грей (1666-1736 гг.)в 1727 г. открыл явление электропроводимости и все тела разделил на проводники и непроводники. Во-вторых, французский ученый Шарль Франсуа

Дюфе (1698-1739 гг.) в 1734 г. установил существование двух родов электричества. И в-третьих, в период с 1747 по 1754 г. американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706-1790 гг.) провел целую серию экспериментов с электричеством, которые позволили ему выдвинуть первую теорию, объясняющую электрические явления. В работах Франклина начали формироваться понятия электрического заряда и закона его сохранения.

Во второй половине XVIII в. начались количественные измерения электричества и магнетизма. Вначале были созданы основы электростатики. В 1770-х гг. Генри Кавендиш (1731-1810 гг.), а затем в 1780-х гг. Шарль Кулон (1736-1806 гг.) провели прецизионные измерения силы взаимодействия электрических зарядов. В результате был установлен главный закон электростатики — закон Кулона: F = q^/R², где F — сила — прямо пропорциональна произведению взаимодействующих зарядов (q^), и обратно пропорциональна квадрату расстояния (R) между ними. Кулон исследовал также взаимодействие между магнитами.

В конце XVIII — начале XIX вв. начинает изучаться электрический ток, возникает новая область учения об электричестве и магнетизме — электродинамика. Устанавливаются связи между электрическими и магнитными явлениями. Первым это обнаружил датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777-1854 гг.), который в 1819 г. зарегистрировал действие электрического тока на магнитную стрелку. Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. Уже в 1820 г. французы Жан Батист Био (1771-1862 гг.) и Феликс Са-вар (1791-1841 гг.) установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку.

В том же 1820 г. французский ученый Андре Ампер (1775-1836 гг.)провел эксперименты по взаимодействию двух прямолинейных проводников с током, а также изучил взаимодействие соленоида (катушки с током) и магнита. В результате он доказал возможность получения тождественных магнитных полей от кругового тока (рис. 1,а) и от постоянного магнита (рис. 1,6)

ток

Рис. 1. Опыты Ампера:

а — с круговым током; б — с постоянным магнитом

Эти опыты привели Ампера к важному заключению о том, что природа магнетизма обусловлена электрическим током и можно говорить об единых электромагнитных явлениях.

Еще более тесную связь между электрическими и магнитными явлениями установил английский физик Майкл Фарадей (1791-1867 гг.), который начал исследования электричества и магнетизма, закончившиеся открытием в 1831 г. важнейшего явления в области электродинамики — явления электромагнитной индукции. Фарадей рассуждал, что если электрический ток способен вызывать магнитное действие, то и магнетизм должен вызывать электрические явления. Дальнейшие исследования электромагнетизма привели Фарадея к коренному пересмотру существовавшего в то время взгляда на природу материи. Он пришел к пониманию существования новых неизвестных ранее видов материи в виде электрического (Е) и магнитного (Н) поля.

Другим важным достижением Фарадея явилась его идея о дискретности электрического заряда, которую он выдвинул, изучая химическое действие электрического тока и явление электролиза. В дальнейшем Джозеф Томсон (1856-1940 гг.) доказал существование электронов.

Представления Фарадея об электромагнитном поле как о новом, ранее неизвестном виде материи были впоследствии развиты знаменитым английским ученым Джеймсом Максвеллом (1831-1879 гг.). Максвелл обобщил основные сведения об электромагнитных явлениях и создал законченную строгую математическую теорию электромагнетизма.

Основная идея Максвелла заключалась в том, что изменяющееся во времени магнитное поле должно приводить к появлению переменного электрического поля, а переменное электрическое поле должно, в свою очередь, приводить к появлению переменного магнитного поля. Следовательно, существует взаимозависимое единое электромагнитное поле, которое может распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.

Уравнения Максвелла позволяют сделать целый ряд важнейших выводов. Одним из главных выводов является то, что электромагнитные волны — это поперечные волны, распространяющиеся со скоростью света. С другой стороны, теория Максвелла, доказала, что видимый свет — это электромагнитные волны в определенном интервале длин волн.

При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания ввиду ее математической сложности, считалась непонятной. Решающую роль в победе теории Максвелла сыграл немецкий физик Генрих Герц (1857-1894 гг.). Он экспериментально получил электромагнитные волны, существование которых следовало из теории Максвелла. Он также провел эксперименты по распространению, отражению и поляризации электромагнитных волн и доказал их тождество со световыми волнами. А затем российский физик П. Н. Лебедев (1866-1912 гг.) в 1899 г. измерил предсказанное теорией Максвелла световое давление.

И триумфом электродинамики Максвелла стало широкое использование электромагнитных волн после изобретения радио в 1895 г. А. С. Поповым (1859-1906 гг.) и Гульельмо Маркони (1874-1937 гг.).

Подводя итог развития физики в XVLLI-XIX вв., следует выделить по крайней мере две главные особенности этого периода.

Во-первых, это было время завершения построения так называемой классической физики, классической аналитической механики, создания волновой теории Гюйгенса-Френеля, объясняющей все известные в то время оптические явления, создания молекулярно-кинетической теории тепловых процессов на основе развития методов статистической физики и, наконец, создания теории электродинамики Максвелла, которая объединила электромагнетизм и оптику.

Во-вторых, к концу XIX в. физика выдвинулась в качестве лидера среди всех естественно-научных дисциплин как своей стройностью и логической завершенностью созданных научных теорий, так и методологическим подходом, заключающемся в строгом математическом обосновании и выражении всех установленных законов; физика стала образцом “точной науки” для всех естественных наук.