Фізика. Повторне видання. 9 клас. Сиротюк

§ 41. Еволюція фізичної картини світу. Розвиток уявлень про природу світла

Матеріал, який ви вивчали, є результатом гігантської дослідницької роботи, виконаної протягом багатьох століть ученими всього світу з дослідження різних форм руху матерії, будови і властивостей матеріальних тіл. Ви переконалися в тому, що при всій своїй різноманітності навколишній матеріальний світ єдиний. Його єдність виявляється насамперед у тому, що всі явища, хоч би якими складними вони здавалися, є різними станами і властивостями рухомої матерії, мають у кінцевому результаті матеріальне походження. Єдність світу проявляється також у взаємозв’язку всіх явищ, можливості взаємоперетворень форм матерії і руху. Разом з тим єдність світу виявляється в існуванні загальних законів руху матерії.

Завдання фізики та інших природничих наук полягає в тому, щоб виявити найзагальніші закони природи і пояснити на їхній основі конкретні явища і процеси.

Відображенням єдності світу в пізнанні є синтез наукових знань, здобутих у процесі дослідження природи різними науками. На кожному етапі розвитку науки виникає потреба об’єднання наукових знань в єдину систему знань про явища, процеси та інші об’єкти природи, у природничо-наукову картину світу.

Фізична картина світу становить частину всієї системи знань про природу, оскільки вона стосується лише фізичних властивостей матеріальних тіл і фізичних форм руху матерії.

Фізична картина світу дає найзагальніше синтезоване уявлення про суть фізичних явищ на певному етапі розвитку фізичної науки. Природно, що з розвитком фізики вчені відкривають нові закони. Одночасно встановлюється зв’язок між цими законами, деякі з них отримують теоретичне обґрунтування і подальше узагальнення, на основі чого часто стає можливим вивести відомі раніше закони із загальніших фізичних теорій, принципів. Так, з електронної теорії будови речовини можна вивести закони Ома, Джоуля-Ленца тощо.

У стародавньому світі всі знання про природу об’єднувала в собі фізика, і вже на той час було сформульовано основні елементи матеріалістичного розуміння світу. Мислителі Давньої Греції Левкіп, Демокріт, Епікур, Лукрецій Кар стверджували, що навколишній світ за своєю природою матеріальний, нестворюваний і незнищуваний, існує вічно в часі й безмежний у просторі. Усі тіла складаються з первинних, далі неподільних частинок - атомів, які за всіх змін не виникають з нічого і не знищуються, а лише взаємодіють і перетворюються.

Міколай Коперник у 1543 р. запропонував геліоцентричну систему світу. Прогрес фізичних знань підготував ґрунт для формування механічної картини світу на основі законів механіки Ньютона. Згідно з вченням Ньютона, весь світ складається з твердих, непроникних частинок - атомів, які мають масу та інертні властивості.

Фізика Ньютона давала досить загальну і відносно наочну картину світу. Вона стала теоретичною основою різних галузей техніки того часу. До другої половини XIX ст. механічна картина світу досягла певної завершеності й здавалася непохитною.

Під час вивчення електромагнітних явищ (дослідження Ерстеда, Ампера, Араго та ін.) з’ясувалося, що вони не підкоряються механіці Ньютона. Виходячи із цього Майкл Фарадей, розвиваючи теорію електромагнітного поля, установив взаємозв’язок між електричними та магнітними явищами.

З розвитком електродинаміки у фізиці поступово утверджується уявлення про світ як про загальну систему, побудовану з електрично заряджених частинок, які взаємодіють між собою за допомогою електромагнітного поля. Інакше кажучи, починається створення єдиної електромагнітної картини світу, усі події в якій підпорядковуються законам електромагнітних взаємодій.

Однак подальший розвиток фізики показав обмеженість електромагнітної картини світу. У цій картині матерія розглядалась як сукупність позитивно і негативно заряджених частинок, які взаємодіють через поле тяжіння і електромагнітне поле. Але із часом з’ясувалась обмеженість цієї картини світу. Вона не могла пояснити стійкості атомів, не охоплювала тяжіння (закон всесвітнього тяжіння не можна вивести з теорії електромагнітного поля), не пояснювала хімічного зв’язку атомів у молекулах, явища радіоактивності тощо.

Фундаментальні відкриття у фізиці на початку XX ст. привели до заміни електромагнітної картини світу якісно новою - квантово-польовою. Вона ґрунтується на досягненнях квантової механіки, яка в основному пояснила структуру атомів і молекул, природу хімічного зв’язку, фізико-хімічні властивості макроскопічних тіл, описала багато властивостей і законів елементарних частинок.

З погляду сучасної фізики існують дві основні форми матерії - речовина і поле. Речовина має переривчасту (дискретну) будову, а поле - безперервну.

Сучасна фізична картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Однак хоча ця картина світу і відзначається великою загальністю й успішно пояснює багато явищ, але у природі існує багато явищ, які сучасна фізика ще пояснити не може. Сучасна фізична картина світу постійно розвивається і вдосконалюється, на зміну існуючим квантово-польовим уявленням прийде нова картина, яка глибше й точніше відображатиме об’єктивний світ фізичних явищ. Але ця картина світу міститиме складовою частиною все те, що ми вже знаємо про фізичні явища.

Ви вже знаєте те, що від джерела світла, наприклад від лампочки або свічки, світло поширюється в усі боки й падає на навколишні предмети, зокрема, нагріваючи їх. Потрапляючи в око, світло спричиняє зорове відчуття - ми бачимо те, що оточує нас. Можна сказати, що під час поширення світла передається дія від одного тіла - джерела світла - до іншого - приймача.

Узагалі одне тіло може діяти на інше двома різними способами: або переносити речовину від джерела до приймача, або змінювати стан середовища між тілами (у цьому випадку речовина не переноситься).

Можна, наприклад, змусити задзвонити дзвінок, що перебуває на деякій відстані, поціливши в нього кулькою (мал. 293, а). При цьому відбувається перенесення речовини. Але можна діяти інакше: прив’язати шнур до осердя дзвінка і змусити дзвінок звучати, посилаючи по шнуру хвилі, які розгойдуватимуть його осердя (мал. 293, б). У цьому випадку речовина не переноситиметься. По шнуру буде поширюватися хвиля, змінюючи його стан (форму). Отже, дія від одного тіла до іншого може передаватися хвилями.

Мал. 293

Відповідно до двох можливих способів передавання дії від джерела до приймача виникли й почали розвиватися дві зовсім різні теорії про те, що таке світло і яка його природа. Причому виникли вони майже одночасно в XVII ст.

Одна теорія пов’язана з ім’ям Ісаака Ньютона, а друга - з ім’ям Крістіана Гюйгенса.

Ньютон дотримувався так званої корпускулярної теорії світла, згідно з якою світло - це потік частинок, що вилітають від джерела, прямуючи в усі боки (перенесення речовини).

За хвильовою теорією Гюйгенса, світло - це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі - ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Жодна з них не могла перемогти. Лише авторитет Ньютона змусив більшість учених віддавати перевагу корпускулярній теорії. Відомі на той час із дослідів закони поширення світла більш або менш успішно пояснювалися обома теоріями.

На основі корпускулярної теорії було важко пояснити, чому світлові пучки, перетинаючись у просторі, ніяк не діють один на одного. Адже світлові частинки мають стикатися й розсіюватися.

Хвильова теорія це легко пояснювала. Хвилі, наприклад, на поверхні води вільно проходять одна крізь одну і не впливають одна на одну.

Проте за хвильовою теорією важко пояснити прямолінійне поширення світла, яке обумовлює утворення за предметами чітких тіней. За корпускулярною теорією прямолінійне поширення світла - це просто наслідок закону інерції.

Таке непевне уявлення щодо природи світла тривало до початку XIX ст., до того часу, поки не було відкрито явища дифракції (огинання світлом перешкод) та інтерференції світла (посилення або послаблення освітленості від накладання світлових пучків). Ці явища властиві тільки хвильовому руху. Пояснити їх за корпускулярною теорією не можна. Тому здавалося, що хвильова теорія остаточно перемогла.

Така впевненість особливо зросла після того, як Джеймс Максвелл у другій половині XIX ст. показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль. Праці Максвелла стали підґрунтям для електромагнітної теорії світла.

Після того як Генріх Герц експериментально виявив електромагнітні хвилі, жодних сумнівів у тому, що під час поширення світло поводиться як хвиля, не лишилося.

Проте на початку XX ст. уявлення про природу світла почало докорінно змінюватися. Несподівано з’ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все таки має під собою підґрунтя.

Під час випромінювання і поглинання світло поводиться подібно до потоку частинок.

Було виявлено переривчасті, або, як кажуть, квантові, властивості світла. Виникла незвичайна ситуація: явища інтерференції і дифракції, як і раніше, можна було пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання і поглинання - вважаючи світло потоком частинок. Ці два, здавалося б, несумісні одне з одним уявлення про природу світла, у 30-х роках XX ст. вдалося несуперечливо об’єднати в новій видатній фізичній теорії - квантовій електродинаміці.

Пізніше з’ясувалося, що двоїстість властивостей характерна не тільки для світла, а й для будь-якої іншої форми матерії.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Назвіть основні етапи становлення сучасної фізичної картини світу.
• 2. Які фундаментальні відкриття у фізиці приводили до зміни фізичної картини світу?
• 3. Що являє собою сучасна фізична картина світу?
• 4. Як розвивалися погляди на природу світла?