Ньютонның механикалық қозғалыс заңдары

Ньютонның бірінші және екінші заңдары Аристотельдің күш пен қозғалыс туралы білімін біржолата жоққа шығарды. Ньютон қозғалысты қолдау үшін күштің қажет еместігін шегіне жеткізе анық түсіндірді. Оның еңбектерінде күш, масса, инерция ұғымдарының өзі де анықталады. Ньютонның "Бастауларынан" (1687) келіп шығатывдай, оның динамикалық зандары Кеплер мен Галилейдің сәйкес кинематикалық заңдарынан ғана өрбімейді, керісінше, олардың өзі Кеплердің барлық үш кинематикалық заңдарының негізі және Галилейдің екі кинематикалық заңдарының (екпін және еркін құлау зандары) негізі бола алады. Ньютонның ашқан классикалық фундаментальдың механика зандары Жаңа заман ғылымының негізін салды.

Тек Ньютон ғана алғаш рет барлық жер және аспан денелерінің бірыңғай механикасын олардың бәріне ортақ динамика, әсер және қарсы әсер, сонымен бірге өзара тартылыс зандарымен қоса жасады.

Кейінгі сан алуан бақылаулар мен зерттеулер Кеплер зандарының және Ньютонның бүкіләлемдік тартылыс заңының ақиқаттығын көрсетті. XIX ғасырдың бірінші жартысының аяғында бүкіләлемдік тар-

47

тылыс заңының ғарыштық Әлемнің бақылауға болатын барлық аймақтарында бар екендігі анықталды. Ньютондық тартылыс шын мәнісінде тамаша жан-жақты. Ғарыш әлемін және оның құрамдас бөліктерін аздаған аса маңызды басты заңдар мен Жерде, ғылыми зертханада және ғарышта да бірдей күші бар өзара әсерлердің негізінде зерттеудің ғылыми тәсілін дамыту үшін кең мүмкіндіктер ашылды.

1873 жылы француз математигі Бертран массасы М қозғалыссыз денеге қарай тартылыстың орталық күш өрісінде жылжитын тұрақты массасы т нүктелік дененің жылжу орбиталарын есептеп шығарды. Тартудың радиалды күшінің шамасы Ғ ағымдағы радиу-сқа г не тура пропорционал, не оның квадратына кері пропорционал болғанда ғана бұл орбиталар тұйықталған шеңбер тәріздес көрінетін болып шықты.

Бірінші жағдайда, біз Гук заңына ұқсас заңмен істес боламыз: Ғ ~ г (мұнда г - орбита радиусы, ал Ғ -күш). Екінші — баламалық жағдайда — біз Ньютонның бүкіләлемдік тартылысының өмбебап күшін аламыз: Ғ = СтМ/г², мұнда О — ньютондық гравитациялық тұрақты.

Сонымен И. Ньютонның классикалық механикасында қатаң математикалық дәлелдемелерге сүйенген әлемнің жаңа гравитациялық бейнесі жасалды. Оның биік жетістігі болып табиғаттың ортақ жалпы-

лама заңы - бүкіләлемдік тартылыс заңы ғылымға келді. Бұл заң бойынша тартылыс күші жалпылама барлық денеге ортақ және ол кез келген қасиеттері эр түрлі материалды заттардың арасында болады. Бұл күш әрқашанда зат массаларының көбейтіндісіне про-порционалды болып, олардың ара қашықтығының квадратына кері пропорционал болып келеді. Ньютон бүкіл Әлемге тартылыс заңын қолдана отырып, осы Әлемнің мүмкіндік құрылысын қарастырды. Ол біздің Әлеміміз шексіз деген шешімге тоқтады. Тек осы жағдайда ғана Әлемде бір-бірімен тартылыс күші арқылы байланысқан көптеген космостық денелер өмір сүре алады.

Үш өлшемді кеңістіктегі тартылыстың әмбебап күші алыстаған сайын қашықтықтың квадратына кері пропорционал түрде азаятындығына алғаш рет Иммануил Кант көңіл аударды: "Үш өлшемділік, сірә, өмірде бар әлемдегі субстанциялар бір-біріне әрекет күші қашықтық квадратына кері пропорционал тұрғыда әсер ететіндіктен болады". Кант кеңістіктер елшемі жағынан тіпті басқа әлемдердің бар болу мүмкіндігін жоққа шығармайтындығын айтқан және олардағы барлық материалдық денелердің өзара әсерінің сәйкес әмбебап күші енді қашықтық квадратына кері пропорционал болмауы мүмкін деп жорамалдады.

Бірақ, жоғарыда келтірілген "Бертран проблемасын" шешу нәтижесі, бүкіләлемдік тартылыс күші Ғ орталық радиалды күш өрісінде п = 2 дәрежесіндегі г ағымды радиусына кері пропорционалды екенін көрсетеді.

Бұл пікірлерден Ньютон ашқан бүкіләлемдік тартылыс заңының аса маңыздылығы көрінеді, өйткені ол біздің әлеміміздің мәнісін қозғайды.

Соныменен, Коперниктің гелиоцентрлік жүйесі мен Галилейдің және XVI ғасырдың басқа да ғалымдарының жаратылысты-ғылыми зерттеулері орта ғасыр ғылымының негіздерін жөне өлемнің сол кездегі бейнесін өзгертті. Ал Кеплердің, Гюйгенстің, Паскаль мен Бойльдің, Гарвей мен Декарттың, Лейбниц пен Ньютонның және ХУІІ-ХҮПІ ғасырлардың басқа

49

да ғалымдарының еңбектері қазіргі заманғы өлемнің жаңа бейнесінің және табиғат заңдарының жаңа ғылыми негіздерін жасады.

Бұл кезеңнің негізгі жетістіктеріне геоцентризмнен гелиоцентризмге өткен жаңа астрономия ғьшымын, шексіз әлем моделімен сипатталатын жаңа Космос бейнесін, қозғалыс туралы фундаментальды ғылым -жаңа механиканы, табиғат заңдарын тәжірибелік түрде зерттеу жасайтын жаңа жаратылыстану ғылымын, жоғары математиканы, ғылыми және техникалық білімнің математикалануын жатқызамыз.

2.8. Жаратылыстанудың XIX ғ. соңы

мен XX ғ. бас кезіндегі даму кезендері

XIX ғасырдың соңы мен XX ғасырдың бас кезінде әлем құрылысы туралы ғылымда маңызды жаңалықтар ашылып, олар тарихта жаратылыстанудағы жаца революциялар (төңкерістер) кезеңіне әкелді. Әлемнің жаңа бейнесінің қалыптасуына негіз болған физика мен химия ғылымдарында ашылған жаңа тәжірибелік деректер ескі теориялар шеңберінде түсінік таба алмады. Бұл деректерге, мысалы, Фарадейдің электрлік құбылыстарына арналған зерттеулерін, Максвелл мен Герцтің электродинамика бойынша жұмыстарын, Беккерелдің радиоактивті құбылысты зерттеуін, Том-сонның бірінші рет элементарлы бөлшекті (электронды) ашуын және т. б. келтіруге болады.

Физиктер микроәлем аймағын зерттеу кезінде классикалық механика тұрғысынан түсіндіріле алмайтын жаңа заңдылықтарды ашты. Шындығында осы кезеңде классикалық механика заңдарының тек макро-әлем аймағында ғана орындалатыны белгілі еді. Ал микроәлемде статикалық зандылықтар жұмыс істейді.

50

Біртіндеп, негізінен Бордың, Гейзенбергтің, Шредингердің, Планктің, де Бройльдің және тағы да басқа физик ғалымдардың жұмыстары нәтижесінде микроәлемнің физикалық теориясы жасалынып, квантты механика құрылды (1925-1926). Осы теория бойынша микробөлшектердің кеңістік пен уақыт бойынша қозғалысы макрообъектілердің механикалық қозғалысынан мүлдем басқаша болады екен: егер де микробөлшектің кеңістіктегі орны белгілі болса да, оның импульсы белгісіз болып қалады.

1905 жылы А. Эйнштейн салыстырмалықтың арнайы теориясын жасады. Бұл теория кеңістік пен уақыттың материямен тікелей байланысын көрсетеді және олар материясыз өз мағыналарын жоғалтады. Салыстырмалылықтың жалпы теориясында (1916) ол кеңістіктің қисаюын үлкен гравитациялық өрістің (немесе массаның) болуымен (әсерімен) байланыстырады. Бұл теория әлемнің жаңа космологиялық үлгілерін (бейнесін) жасауда қолданылады.

Соныменен, XIX ғасырдың соңы мен XX ғасырдың бас кезінде жаратылыстанудағы ашылған ұлы ғылыми жаңалықтар физикалық өріс пен қатты заттардың фундаментальдық қасиеттерін түсіну мен түсіндірулердің негізін салды. Осы зандылықтардың ашылуы Бүкілөлемнің қазіргі заманғы физикалық бейнесін жасауға мүмкіндік берді (келесі тарауларды қараңыз). Осы зат құрылысы туралы теоретикалық зандылықтар және ашылған физикалық зандар жаңа техникалық шешімдер мен технологияларға негіз болды. XX ғ. Бас кезінде пайда болған ядролық физика, немесе, атомдық физика атом энергиясын меңгеруге мүмкіндік жасады; ал квантты электроника - лазерлер, квантты сағаттар, квантты күшейткіштер мен т.б. жаңа технологиялар мен ғылымның жаңа бағыттарының дамуына негіз болды.

Электродинамика мен электромагниттік өріс теориясының дамуы қазіргі заманғы электрониканың жеке дара ғылым ретівде бөлініп шығуын қамтамасыз етті. Осының нәтижесінде XX ғасырда электротехника, электроника, радиоэлектроника мен электросвязь

сияқты жаңа техникалық ғылымдар пайда болып дами бастады.

51

XX ғ. ортасынан бастап адамзат өзінің тарихи дамуының жаңа кезеңіне аяқ басты: жаратылыстанудағы, математикадағы жөне табиғат, техника мен қоғам туралы фундаментальдық ғылымдардағы ең жоғарғы инженерлік жетістіктерді қолдану нәтижесінде әлемдік ғылыми-техникалық білімдерде өте тез және терең өзгерістерге әкелген ғылыми-техникалық революция (төңкеріс) кезеңі басталды. Егер XVII ғасырдағы ғылыми революция, XVII ғасырдағы өнеркәсіптік революция, XIX —XX ғасырлардағы жаратылыстанудағы революциялар тек қана білім мен техниканың жеке салаларына ғана әсер етсе, XX ғ. орта кезеңіндегі бұл революция ғылым мен техниканың барлық салаларында да бір мезгідде бірдей жүрді. Қазіргі заманғы жаратылыстану ғылымының дамуы оның жетістіктеріне жаңа көзқараспен, жаңа мәдени ой- шылдықпен қарауды талап етіп отыр.

2. Бүкіләлемдік жаратылысты-ғылыми төңкерістер қалай басталады? Неге олар төртеу-ақ? Олар қандай нәтижеге әкелді және немен бітеді?

3. Атомизм концепциясының маңызы неде? Оны бірінші рет ұсынған кім?

4. Ертедегі гректердің Әлем құрылысы туралы түсініктері.

5. Ньютон уақытына дейін кеңістік пен уақыт туралы қандай түсініктер болды?

6. Кеңістік пен уақыт туралы түсініктер әлемнің гелиоцентрлік бейнесі пайда болғаннан кейін қалай өзгерді?

7. Г.Галилей еңбектерінің жаратылыстанудағы маңызы.

8. Схоластика кезеңіндегі жаратылыстану.

9. Эллинизм дәуірі мен жаратылыстану дамуы.

52

10. Еуропадағы алғашқы университеттер.

11. ХІХ-ХХ ғасырлардағы жаратылыстану-ғылыми төңкерістерінің ерекшеліктері.

Реферат тақырыптары

1. Аристотельдің ғылыми-философиялық жүйесі.

2. Араб елдерінің ұлы ғұламалары мен олардың жаратылыстануға қосқан үлесі.

3. Архимедтің зандары.

1. Ахлибинский Б. В., Храленко Н. И. Основные концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М., 2000.

2. Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М., 2000.

3. Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и ее творцы.- М., 1984.

4. Идлис Г. М. Революции в астрономии, физике космологии. - М., 1985. 232с.

5. Дягилев Ф. М. Из истории физики и жизни ее творцов. - М., 1986.

2. Рузавин Г. И. Концепции современного есте-ствознания. Учебник для вузов. - М.: Культура и спорт, 1997.

3. Ровкин В. И. Естествознание для гуманитариев. Омск, 1993.

4. Ровинский Р. Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.

5. Голованов Я. Этюды об ученых. М., 1970.

6. Яблоков А. В., Юсуфов А. Г. Эволюционное учение. М., 1988.

Үшінші бөлім

ЖАРАТЫЛЫСТАНУДАҒЫ

ФИЗИКАЛЫҚ ПРИНЦИПТЕР МЕН

54

3.1. Физиканың негізгі концептуальды жүйелері

Физика - заттар мен құбылыстардың ең қарапайым да, сонымен бірге ең ортақ жалпы қасиеттері туралы ғылым. Қандай да болсын құбылысты қарастыра отырып, физика оның табиғаттың басқа құбы-лыстарымен байланыстарын көрсетеді. Физика туралы тағы да бір анықтама бойынша ол әр түрлі -гравитациялық, электромагниттік, күшті және әлсіз әрекетесулер туралы ғылым. Оларды негізінен өріс концепциясы тұрғысынан зерттейді.

Теоретикалық физика құрылымын қарастыра отырып Гейзенберг әрқайсысы қандай да бір жалпылама теорияға сүйенетін төрт концептуальды жүйені (системаны) бөліп көрсетеді. Бірінші концептуальды жүйенің негізінде классикалық механика жатыр, осы жүйеге акустика, аэро- мен гидродинамика да кіреді. Екінші концептуальды жүйенің негізін статистикалық механика (бұлар да термодинамикалық теориялар) қалайды. Үшінші концептуальды жүйе салыстырмалықтың арнайы теориясына негізделген; бұл жүйеге электродинамика, оптика, магнетизм туралы ілім және т. б. кіреді. Төртінші концептуальды жүйе квантты механикаға негізделген. Бұл жүйеге атомдық физика, химия, ферромагнетизм туралы ғылымдар кіреді. Гейзенберг салыстырмалықтың жалпы теориясына негізделген тағы да бір концептуальды жүйені бөліп көрсетеді, бірақ бұл жүйе, оның ойы бойынша, әлі өзінің толық кемеліне келген жоқ.

Физиктер үшін бүл мағлұматтарды классикалық механиканың, термодинамика мен электродинамика мысалдарымен көрсетуге болады. Механиканың негізгі үғымдары (мысалы, масса, инерциальдық жүйе), Ньютонның қозғалыс заңдары, бүкіләлемдік тартылыс заңы, туынды мен интеграл түсініктері бір мезгілде пайда болды. Олардың біртұтас жүйе ретінде жалғыз Ньютонның ой тұжырымынан өткізілуі кездейсоқ емес. Термодинамикада бір мезгілде осы теорияның екі

негізгі түсінігі - температура мен энтропия енгізілді. Энтропия - энергияның кайтымсыз түрде таралуының өлшемі. Статикалық физикада энтропия - қандай да бір макроскопиялық жағдайдың болу мүмкіншілігінің өлшемі.

Классикалық электродинамикада негізгі ұғымды электромагнитті толқын мен оны жасайтын оның екі құрамдасы — бір бірімен ауысып отыратын электрлік және магнитгік өрістер құрайды. Осы өрістердің негізгі көрсеткіштері бір мезгілде енгізіледі.

Соныменен, жоғарыда айтылғандай, физикадағы принциптер мен концепцияларды уақыт эволюциясы бойынша қарастыруға тырысайық.

Адамзат тарихы көптеген жан-жақты, дарынды адамдарды біледі. Солардың арасында алғашқы орындардың бірін ұлы орыс ғалымы, физик, астроном, химик, математик Михаил Васильевич Ломоносовқа (1711-1765) беруге болады. Оптика және жылу, электр және тартылыс, әдебиет пен тарих, метереология мен өнер, геология және астрономия - бұлар Ломоносовтың өшпейтін ізін қалдырған салалар.

Бұл данышпанның физика мен химия саласындағы еңбектеріне біздің кезімізде жүргізілген терең зерттеулер әлемдік ғылымдағы Ломоносов ролінің ерешелігін тіпті жаңаша ұғынуды ашты. Ломоносовтың ғылымдағы барлық бастамалары жаңашылдыққа әкелді.

М. В. Ломоносов москвалық славян-грек-латын академиясында, Петербургтік ғылым академиясында оқып, Маргбург (Германия) университетінде металлург, кен ісі мен химия мамандығы бойынша білім алады. 1755 ж. ол Москва университетінің ашылуында негізгі ұйымдастырушы болды.

Профессор атағын алысымен Ломоносов алғашқы химиялық зертхананы құрып, "Эксперименттік Вольфиан физикасын" өз аудармасында бастырып

56

шығарды. Осы аударманың жарық көруімен орыс физикасы орыс тіліндегі бірінші оқулықты алып қана қойған жоқ, сонымен қатар ғылыми орыс тілінің негіздері салынды. 1752-1754 жылдары ол фи-зикалық химияның тіпті ерекше жаңа және өзгеше курсын дайындап, дәрістер оқыды, шындығында, ол мұнымен жаңа ғылымның негізін қалады.

Ғалым өз артына өте мол идеялар қалдырды, бұлар ол өмірден өткен соң да 100-150 жылдар бойы ғылым тарапынан жүзеге асырылды. Нақты мысалдар келтірейік. "Таразының электрлендірілген тостағанының темір плитаға тартылатындығын" бақылап жазып, Ломоносов "таразымен электр күшін өлшеуге болады" деген қорытынды жасайды. Шындығында, бұл идеяның лорд Кельвин мен У. Томсонның тарапынан абсолюттік электрометр арқылы жүзеге асырылғанын біз тарихтан білеміз. Электрмен шүғылдана отырып, Ломоносов былай деп белгілейді: "Жарық сәулесі электрленген шыны мен суда басқаша сына ма? -осыған тәжірибе жасау керек". Мұндай тәжірибені кейінірек 1875 жылы Керр жасап, электр өрісінде сәуленің екі түрлі сынатынын ашты.

Ломоносов органикалық және органикалық емес табиғаттың барлық құбылыстарын бірыңғай көзқарастан түсіндіретін табиғаттың орасан күрделі философиясын жазуды армандаған жан-жақты және терең ойлы философ болды. Өз зерттеулерінде ол мына негізгі идеяны қатал басшылыққа алды: "Табиғат өз заңдарын берік сақтайды және ол барлық жерде бірдей".

57

3.3. Электр туралы ғылымның тууы

Ал енді классикалық физиканың тарих кезеңі аяқталған XIX ғасырға аттанайық.

Он тоғызыншы ғасыр электр мен магнетизм табиғатын зерттеудегі орасан табыстармен ерекшеленеді. Алғашқыда электрлік құбылыстардың - ұшқындар, найзағай, лейден банкаларының заряд жинау қасиеттері — кейбір минераддарда, компас стрелкасының бағытында, т. б. байқалатын магнетизм құбылыстарымен ешқандай байланысы жоқ деп есептелді. Бірақ даниялық физик Эрстед (1777-1851) пен француз физигі Ампер (1775-1836) электр тоғы бар өткізгіштің магнит стрелкасының ауытқу әсерін тудыратынын тәжірибе арқылы дәлелдеп көрсетті. Эрстед тоғы бар өткізгіштің айналасында қүйын тәріздес магнит өрісі бар деген ой айтты. Ампер жаңа ғылымның - электродинамиканың шын мәнінде жасаушысы болды.

Ампер магниттік құбылыстардың электр тізбегімен тоқ жүргенде болатындығын жөне магниттік әсердің мөлшері электр қозғалысының үдемелілігіне қатысты екендігін байқады. Осы үдемелілікті өлшеу үшін Ампер алғаш рет тоқ күші деген ұғымды енгізді, сондықтан тоқ күшінің өлшем бірлігінің оның атымен ампер деп аталуы кездейсоқ емес. Өзінің айналма тоқтар туралы ілімінің көмегімен ол магнетизмді электрге әкеліп салды! Бұл шын мәнісіндегі ұлы жаңалық еді. Ампер тоқтың өзара әсері туралы бұған дейін белгісіз болған занды тұжырымдайды. Бұған қоса ол мынадай ой айтты: "Эрстед ашқан тоқ пен магниттің өзара әсерін көрсететін барлық құбылыстар жеке оқиға ретінде электр тоғының тарту заңдарына енеді".

Ампердің электродинамиканы жасау бойынша жұмысы 1826 жылы оның "Электродинамикалық құбылыстардың тәжірибелерден шығарылған теориясы" деген қорытынды еңбегі жарық көргенге дейін жалғасты. Бүл еңбегінде Ампер сапалы теорияны зерттеп, дайындап қана қойған жоқ, сонымен қатар тоқтардың өзара әсерлесу күшінің есептік заңын да ашты.

58

Бұл электродинамиканың негізін салатын зандардың

Эрстедтен Ампер қабыддаған эстафета ағылшынның ұлы жаратылыс зерттеушісі Майкл Фарадейдің (1791-1867) қолына өтті. Ол электромагниттік индукция құбылысын - қозғалыста тұрған магниттің маңындағы өткізгіште тоқтың пайда болатындығын ашты.

Диэлектриканы зерттей отырып, Фарадей электрлік өзара әсердегі қоршаған ортаның маңызды ролі туралы ойға келеді. Магниттік құбылыстардың сипатын зерттеу кезінде Фарадей күшті берудің магниттен тысқары өтетін құбылыс екендігі туралы болжам жасайды. Ол бұл құбылыстарды тек жай ғана тебу мен тарту деп ойлау дұрыс емес деп, магнитті қоршаған кеңістік те магниттің өзі сияқты маңызды роль атқарады деп есептейді.

3.4. Максвеллдің электромагниттік

өріс теориясын жасауы

Электромагнетизм саласында Фарадей ашқан жаңалықтарды көрнекті ағьшшын физигі жөне математигі Максвелл (1831-1879) дамытып жетілдірді. Оның электромагнетизм теориясында электр мен магнетизмнің органикалық байланысы анықталды. Ертеректе Фарадей айтқан идеяларды негізге ала отырып, Максвелл электромагниттік өріс ұғымын енгізді.

Өзіне дейінгі экспериментальдық жолмен (Кулонның, Ампердің, Био Савараның) ашылған электромагниттік құбылыс заңдары мен Фарадейдің ашқан электромагнетизм индукциясы құбылысын біріктіріп тұжырымдап, Максвелл таза математикалық әдіспен электромагниттік өрісті өрнектейтін дифференциальды тендеулер жүйесін тапты. Бұл теңдеулер жүйесі электромагниттік құбылысты өз шамасында барынша толық өрнектейді және ньютондық механика жүйесі сияқты толық та жетілген жаңа теорияны сипаттайды. Осы тендеулерден электрлік зарядтарға "байланбаған" өрістің жеке өмір сүру

59

мүмкіншілігі болуы керек деген маңызды түйіндеме шығады.

Максвелдің электромагниттік өріс теориясы физика мен жаратылыстануда жаңа кезеңнің басталуын жария етті деуге болады. Физиканың дамуының дәл осы кезеңінде электромагниттік өріс өмір шындығына, өзара әсердің материалдық сақтаушысына айналды. Әлем бірте-бірте электрлі зарядталған бөлшектерден құрылған, электромагниттік өріс арқылы өзара әсерлесетін электродинамикалық жүйе болып ұғыныла бастады.

Өз тендеулерін талдай келе, Максвелл электромагниттік толқындар деп аталатындардың болу керектігі туралы қорытындыға келеді және олардың таралу жылдамдығы жарықтың жылдамдығымен бірдей екенін есептеп шығарды. Осыдан келіп жаңа қорытынды шығады: жарық дегеніміз электромагниттік толқындардың бір түрі.

Максвелл теориясында болжанған электромагнитік толқындарды шынында да 1888 жылы Генрих Герц (1857-1894) ашты. Ол ұзақтығы өте үлкен электромагниттік толқындарды - радиотолқындарды - жіберуді және қабылдауды жүзеге асыра білді. Қазіргі кезде біз ұзындығы өте кішкентай, 1/1000 000 000 000 метрден де аз мәннен бастап көптеген километрлерге дейін

жететін электромагниттік толқындардың толық жиынтығымен істес болудамыз. Олардың барлығы жи-

60

налып электромагниттік спектрді құрайды. Бұлар - гамма, рентген сәулелері, ультракүлгін сәулеленулер, көрінетін жарық, инфрақызыл микротолқынды және радиосәулелену. Сөулеленудің барлық осы түрлері вакуумде жарықтың жылдамдығымен тарайды және бәрінің де табиғаты бір.

Максвелл кеңістікті толтырьш тұрған эфирдің бар екендігі туралы ескі идеяны қайта жандандырды, ол электромагниттік толқындарды таратушы қызметін атқаруы керек. Қозғалыссыз эфирмен байланысты есептеу жүйесі тыныштық қалпының абсолюттік өлшемі ретінде қарастырылып, абсолюттік кеңістікпен тендестірілді.

Электромагниттік толкын

Қозғалыссыз эфир?

Осы кезде тағы да бір мәселе туындады. Уақыт пен кеңістіктегі микробөлшектердің қозғалыс заңдылықтары макрообъектілердің механикалық қозғалыс заңдылықтарынан мүлдем басқаша екендігі анықталды, "Ұзындық" та, уақиғалар арасындағы

61

"уақыт шамасы" да, басқаша айтсақ, кеңістік пен уақыттың да салыстырмалы болатыны анықталды.

3.5. Әйнштейннің арнайы

1905 жылы Швейцарияның Берндегі патент бюросының қызметкері Альберт Эйнштейн (1879-1955) арнайы салыстырмалық теориясына арналған еңбегін баспадан шығарды. Бұл жұмыс электродинамика мен Максвелл экспериментінің проблемаларын шешіп, кеңістік пен уақыттың классикалық түсініктерінің тиянақсыз негіздерін біржолата бұзды. Бұл теория екі постулатқа негізделді.

Бірінші постулат - салыстырмалық принципі: барлық инерциялық есептеу жүйелері оларда кез келген физикалық экспериментті қою тұрғысынан қарағанда бір-біріне эквивалентті.

Эйнштейн теориясының екінші постулаты - барлық инерциалды есептеу жүйелерінде жарықтың жылдамдығы тұрақты болады.

Бірінші постулат мұндай зертханалық жүйенің бірқалыпты және тік сызықты қозғалысы онда жүргізілетін тәжірибелердің нәтижесіне, егер ол жылдамдатылмайтын және айналмайтын болса, ешқандай әсер етпейді. Салыстырмалық принципі механика мен электродинамика зандарының көрінісіндегі есептеудің басқа инерциялық жүйелеріне өту кезіндегі айырмашылықтарын жойды және ньютондық абсолюттік кеңістіктегі жылжымайтын эфир туралы қажетсіз идеяны алып тастады; кеңістік пен уақыт-

62

тағы барлық өлшемдер мен байқаулар салыстырмалы келеді.

Мұндай қорытындылар ойға сыйымсыз болып көрінсе де, Майкельсонның тәжірибесінің нәтижелерімен және жарық көзі мен бақылаушының салыстырмалы қозғалысының жарық жылдамдығының өлшенген әсерін көрсетпекші болған барлық басқа эксперименттердің сәтсіздігімен сәйкес келеді. Тәжірибемен дәледденген нәтижелерге сенбеске негіз жоқ.

Әлеміміз барлық бақылаушылар өз өлшемдерінің нәтижесінде жарықтың бір ғана жылдамдығын алатындай тұрғыда құрылған. Ешқандай шүбәлануға болмайтын, көптеген өте дәл және күрделі тәжірибелердің нәтижесінен алынған дәлелдердің алдында жарық жылдамдығының тұрақтылығы туралы ақиқат қорытындыны, ол біздің "ақылға сыйымды" деп аталатын білімдеріміздің шектеулі тәжірибесіне қайшы келсе де, мойындаудан басқа ештеңе қалмайды.

Салыстырмалықтың арнайы теориясы ережелерінен шығатын қорытындылар:

1. Ұзындықтың қысқаруы. Аса ірі физиктеоретиктердің бірі Лоренц (1853-1928) айтқандай, кез келген обьектінің қозғалысы оның ұзындығының өлшенген мөлшеріне әсер етеді. Егер ғарыш кемесі

63

қимылсыз тұрған бақылаушының жанынан үлкен жылдамдықпен зымырап өте шықса, онда бұл бақылаушыға кеменің ұзындығы оның жылдамдығына қатысты мөлшерде қысқа болып көрінеді. Кеменің жылдамдығы жарық жылдамдығына жақындаған сайын бұл әсер көбірек байқалатын болады және егер ғарыш кемесі нақты жарық жылдамдығымен қозғала алатын болса, оның бақылауға болатын ұзындығы нөлге тең болар еді.

Ракета бортындағы уақыттың баяулау әсері үрдістерді қоса есептегенде барлығына да, тіпті, экипаждың биологиялық ырғақтарына да қатысты. Басқа сөзбен айтқанда, жердегі бақылаушы көзқарасы тұрғысынан қарағанда, ғарыш кораблінің экипажы өздерінің жерде қалған ғарыштық әріптестерінен гөрі баяу қартаяды. Егер екі егіздің бірі жарық жылдамдығына жақын жыл

дамдықпен ұзақ ғарыштық сапар шексе, Жерге қайтып келгенде ол оз туысының бұдан әлдеқайда қартайып кеткендігін байқайды (“егіздер парадоксың). Уақыттың баяулау әсері ғарыш сәулелерімен жасалған көптеген эксперименттермен дәлелденген.

3. Массаның артуы. Салыстырмалықтың арнайы теориясымен Ньютонның екінші заңын сәйкес келтіруге тырысқан Эйнштейн өз теориясының тағы бір салдарын байқады: дененің салмағы оның қозғалысының жылдамдығына тәуелді. Қимылсыз бақылаушы көзқарасы тұрғысынан қозғалыстағы дененің салмағы осы дененің тыныштықтағы салмағынан көп болып шығады. Дененің жылдамдығы жарық жылдамдығына жақындаған сайын оның салмағы да арта түседі және

64

егер дене жарық жылдамдығымен қозғала алатын болса, онда оның салмағы шексіздікке дейін өсер еді. Бұдан шығатыны, салмағы нөлден белек ешқандай денені жарық жылдамдығына дейін жеткізу мүмкін емес, өйткені бұл үшін шексіз энергия қажет болар

Сол 1905 жылы Эйнштейннің шағын мақаласы басылып шықты, онда автор масса мен энергияның арасындағы байланысты табады. Ол жарық жылдамдығындай қозғалыс кезінде, мысалы атом бөлшектері осындай жылдамдықпен қозғалады, масса энергияның бір түрі болып табылатынын дәлелдеді. Осы жағдайда массаның жиынтығы ретінде көрінетін бөлшектерді энергетикалық процесстер деп қарастыруымыз керек. Бұл энергетикалық процесстер екі бағытта жүреді: энергия өрісінен болшектер пайда болады, ал бөлшектер бір бірімен немесе антибөлшектермен кездесіп аннигиляцияға (жойылу реакциясына) түсіп, энергияны түзеді. "Дененің массасы дегеніміз оның ішіндегі энергияның мөлшері" деп қорытындылайды Эйнштейн. Осылайша ғылымда әйгілі қатынас пайда болады:

мұндағы Е - дененің толық энергиясы, т - оның тыныштықтағы массасы, с - жарық жылдамдығы.

Материалдық бөлшектердің таза энергиядан пайда болуын түсіндіру - бұл салыстырмалы теориясынан шығаты= тәжірибелік ғажап тұжырым.

Салыстырмалықтың арнайы теориясының шешуші сәті сонда, ешқавдай ақпаратты жарық жылдамдығынан тезірек беруге болмайды, әйтпесе себеп-салдарлықтың негізгі заңы бұзылар еді: себеп әрқашанда салдардың алдында болады. Бұл жағдайда Әлемдегі оқиғалардың қисынды байланысы бүзылар еді: олар мүлде кездейсоқ және күтпеген жағдайда болар еді. Тегі, біз үшін ақпараттың жарықтан жылдам тарамағаны тіпті жаман емес!

Бізді қоршаған дүниенің үш өлшемі бар екенін білеміз. Ньютонның көзқарасын қабылдай отырып,

65

біз уақытты өз бетінше тәуелсіз, тоқтамайтын, бірқалыпты ағатын ағын деп түсінеміз. Бірақ салыстырмалықтың арнайы теориясы уақытты өз бетінше жеке және өзгермейтін бірдеңе деп алып қарауға болмайтындығын дәлелдейді.

Эйнштейн кеңістіктік-уақыттық бейнелеудің өзі ашқан, салыстырмалықтың арнайы теориясы үшін маңыздылығын бірден байқады. Содан бері табиғаттың заңдары төрт өлшемдік тұрғыда жазылады.

Біздің Әлем - төрт өлшемді. Кеңістік пен уақытты тәуелсіз физикалық мәндер ретінде қарауға болмайды, керісінше, олар өзара өте тығыз сипатта байланысқан.

Салыстырмалықтың арнайы теориясы кеңістікті, уақытты және Әлемді біздің түсінуімізде шын мөнінде төңкеріс жасады. Бірақ бұл XX ғасырдың басындағы физикадағы жалғыз төңкеріс емес еді. Шамамен сол кездің өзінде сәулелену мен заттың табиғаты туралы түсініктер түбірінен өзгерді. Бүл кванттық теорияның немесе кванттық физиканың да қалыптасу мезгілі болды.

Максвелл теңдеулеріне негізделген қыздырылған денелердің сәуле шашу теориясы эксперимент нәтижесіне қарама-қайшы болды. Мұны классикалық физика позицияларынан түсіндіру әрекеттерінің бәрі сәтсіз болды.

Бүл қайшылықтарды неміс физигі Макс Планк (1858-1947) шешті. 1901 жылы ол энергияның шағын порциялармен - кванттармен сөуле шашатындығы туралы болжам айтгы, оның өзінде әрбір кванттың энергиясы шығарылатын сәулеленудің жиілігіне пропор-

66

ционалды болады. Бұл шамаларды байланыстыратын пропорционалдылық коэффиценті қазір Планктың тұрақтысы деп аталады. Тек осыдан кейін ғана тәжірибелік мәліметтерге

1911 жылы Эрнст Резерфорд (1871-1937) бұрын бөлінбейтін ең ұсақ бөлшек деп саналған атом құрылысының моделін ұсынды.

1924 ж. физика тарихында ұлы жаңалықтардың бірі ашылды: Луи де Бройль материяның толқынды қасиеті болады деген тұжырым жасады. Өзінің "Жарық сэулесі пен материя" еңбегінде

ол толқын мен корпускула түсініктерін тек қана жарық сәулесі теориясында (Эйнштейн іліміне сәйкес) ғана емес, сондай-ақ материялық теорияда да қолдану керектігін жазды. Луи де Бройльдің тұжырымы бойынша толқынды және корпускулалы қасиеттер, материяның барлық түріне де қатысты: электрондарға, протондарға, атомдарға, молекулаларға жөне макроөлшемді заттарға. Луи де Бройльдің есептеулері бойынша қозғалыс үстіндегі жылдамдығы п , ал массасы ш денеге мынадай толқын сәйкес келеді

1 = һ/гап.

67

1926 ж. австрия физигі Э. Шредингер материя толқынын сипаттайтын математикалық теңдеуді (Шредингер тендеуі) тапты. Луи де Бройльдің бөлшектер мен толқындардың "дуализмі" туралы батыл ойы материя мен жарықтың қасиеттерін біртұтастық жағ-дайда қарастыратын теорияны жасауға мүмкіндік жасады. Осы жағдайда жарық кванты микроәлем құрылымының айрықша бір күйі ретінде түсінілді. Алғашқы уақытта Луи де Бройльдің гипотезасы тәжірибе жүзінде дәлелдеуді қажет етті. Материяның толқындық қасиетінің бар екенін дәлелдеуде 1927 ж. американдық физиктер К. Дэвидсон мен Л. Джермердің электрондардың дифракциясын анықтауының үлкен маңызы болды. Кейінірек нейтрондардың, атомдардың және молекулардың да дифракциясын анықтауға арналған тәжірибелік жұмыстар жүргізілді. Тәжірибелік барлық нәтижелер Луи де Бройльдің гипотезасын растады.

Сонымен, жарық бөлшек ретінде де, толқын ретінде де әрекет ете алады, басқаша айтқанда, жарық дуализм қабілетіне ие. Жарықтың бұл қасиетінің дәлелдерінің бірі интерферепция болып табылады. Жарықтың интерференциясы - бұл жарықтың екі сәулесі бірінің үстіне бірі салынатын физикалық құбылыс. Бұл жағдайда экранда кезектесіп орналасқан қара және ашық жолақтардың суреті пайда болады. Интерференциялық суретті жарықтың толқындық қасиеттері негізінде де, не жарықты фотондар - бөлшектер ретінде де қарастырып есептеуге болады. Кванттық бейнелеуден шығатыны - экранның бір бөліктерінде (ашық жолақтарға сәйкес келетін) фотондарды табу ықтималдығы көбірек, ал басқа бөліктерінде (қара жолақтар) - азырақ.

Кванттық механиканың негізгі идеясы микроәлемде оқиғалардың ықтималдығы туралы ұғымның анықтауышы болатындығында. Микроскоптық деңгейде (сөз фотондар немесе заттардың қарапайым бөлшектері туралы болса) біз нақты эксперименттің нәтижесін дәл болжап айта алмаймыз (мысалы, экранда фотон түсуге тиісті нүктені көрсету). Біздің бар

68

істей алатынымыз - бұл тек тәжірибенің әр түрлі қорытындыларының ықтималдығын есептеп шығару. Бөлшектердің саны өте көп болғанда ғана біздің эксперимент барысы туралы болжамдарымыз қажетті дәлдікке ие болады. Бұл терең тұжырым біздің оқиғалардың дамуын болжау мүмкіндіктеріміздің шектеулі екендігін білдіреді.

Гейзенберг өз принципін гипотетикалық микроскоп үлгісінде көрнекі түрде түсіндірді ("Атом ядросының физикасы"). Егер біз импульсінің дәл мәні белгілі болған электронның координатасын анықтағымыз келсе, онда электронды көріп, оның орнын анықтау үшін біз оған жарық түсіруіміз керек, басқаша айтсақ, оған фотондар шоғырын бағыттауымыз қажет болар еді. Бірақ фотовдар электрондармен қақтығысып, оған өз энергиясының бір бөлігін береді де, мұнымен оның импульсін белгісіз көлемге өзгертіп жібереді. Осылайша біз бөлшектің нақты координатасын өлшейміз, бірақ оның импульсі белгісіз болып шығады.

Одан әрі бөлшектер табиғатын түсінуде елеулі ілгерілеуге қол жетіп, кванттық теория физиканың әр түрлі салаларында кеңінен қолданыла бастады. Кванттық теория мен салыстырмалықтың арнайы теориясын синтездеу нәтижесінде кванттық электроди-намика - зарядталған бөлшектердің өзара әсер ету үрдісін фотондармен алмасу ретінде қарастыратын электромагниттік өзара әсерлер теориясы пайда болды.

Салыстырмалықтың арнайы теориясы мен кванттық теорияны жасау - XX ғасырдың басындағы физикадағы екі төңкеріс болды, бұлар біздің кеңістік,

69

уақыт, сәулелену мен зат туралы түсініктерімізді түбірінен өзгертті.

1916 жьшы Эйнштейн өзінің салыстырмалықтың жалпы теориясын жасап шығарып, физикалық ұғымдарда — бұл жолы гравитациялық өзара әсер туралы — тағы бір төңкеріс жасады. Бұл теорияның "фундаменті" 1907 жьиы Эйнштейн эквиваленттілік принципін тұжырымдаған кезде "салынған" еді. Осы принциптің мәнін анықтайық.

Ньютонның екінші заңына қатысты "масса" термині инерттік масса мағынасында дененің қозғалыс қалпының кез келген өзгеруіне оның (дененің) кедергісінің мөлшерін білдіреді. Бірақ ньютондық бүкіләлемдік тартылыс заңындағы "масса" ұғымының мағынасы басқа - бұл тартылушы масса немесе гравитациялық масса. Әуелде Галилей де гравитациялық өрістегі барлық денелер олардың салмағына қарамастан бірдей үдеуге ие болатынын айтқан. Бұдан инерттік және гравитациялық массалардың теңдігі шығады. Олардың тендік фактісінің өзін және гравитациялық өрісте барлық денелердің бірдей үдеумен құлайтындығын кейде эквиваленттіліктің әлсіз принципі деп те атайды.

Гравитациялық өрістердің көрсетілген қасиеті гравитациялық өрістегі денелер қозғалысы мен қайсыбір сыртқы өрісте орналаспаған, бірақ есептеудің инерциялық емес жүйесі көзқарасынан қарастырылатын денелер қозғалысының арасындағы маңызды ұқсастықты анықтауға мүмкіндік береді. Есептеудің инерциялық емес жүйесіндегі қозғалыстың қасиетгері грави-тациялық өріс бар болғандағы инерциялық жүйедегі тәрізді. Есептеудің инерциялық жүйесіндегі қозғалыс кейбір гравитациялық өріске эквивалентті. Бұл жағдайды эквиваленттік принципі деп атайды. Егер сіз лифтінің жабық кабинасында тұрсаңыз (Эйнштейннің келтірген мысалы), онда сіздің

үдемелі қозғалыстың эсерінен тартылыстың ықпалын сезбейсіз. Мұндай жабық кабинада тартылысқа қатысты құбылыстарды үдемелі қозғалысқа тән құбылыстардан айыруға сізге мүмкіндік беретін ешқандай тәжірибелерді жасау мүмкін емес. Кішкене жабық кабинаның ішінде гравитация мен шапшаң қозғалыс әсері байқалмайды.