конец XIX века
Во второй половине XIX в. Англия относится к развитым капиталистическим странам. Наибольшее значение для развития физики рассматриваемого периода имели теплотехника и электротехника. Паровая машина, ставшая универсальным двигателем как в промышленности, так и на транспорте, непрерывно совершенствовалась. В 80-х годах XIX в. начинает внедряться в практику новый вид теплового двигателя паровая турбина. Первая удачная конструкция паровой турбины принадлежала английскому изобретателю Парсонсу.
Важную роль в развитии физики рассматриваемого периода играла электротехника. Эта область техники, зародившаяся ещё в первой половине XIX в., начинает приобретать всё большее и большее значение. Важное практическое применение электричества электрический телеграф был изобретён уже в первой половине XIX в. Во второй половине XIX в. телеграф вступает в новую фазу своего развития: создаётся международная и трансконтинентальная связь. В 1851г. прокладывается первый подводный кабель между Англией и Францией. Под влиянием телеграфной, а затем телефонной связи развивалась теория электрических колебаний. В Англии исследованиями в этой области физики занимался В. Томсон (1824-1907). В 1853 г. он вывел формулу зависимости периода собственных колебаний в контуре от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона).
К середине XIX в. паровая машина получает все большее и большее распространение в промышленности. Вместе с этим важное значение начинает приобретать и теория самой машины. Это стимулирует исследования по термодинамике. С другой стороны, открытие механического эквивалента теплоты дает новые основы для ее развития по сравнению с теми основами, на которых строил теорию этой машины французский физик Карно (1796-1832).
В 1849 г. Вильям Томсон, получивший впоследствии титул лорда Кельвина, занялся расчетами мощности теплового двигателя, взяв за основу теорию Карно и используя новые данные по измерению тепловых величин газов и паров, полученных французским ученым Реньо (1810-1878). Томсон еще опирается на гипотезу о теплороде, хотя знает о работах Джоуля. Однако он все же решает придерживаться прежних взглядов.
С 1851 г. выходят ряд работ Томсона под общим заглавием "О динамической теории теплоты". В них Томсон впервые исходил из новых представлений о природе теплоты, основывался на двух основных положениях: эквивалентности теплоты и работы и теореме Карно. В этих работах он сформулировал второе начало термодинамики. Здесь же, исходя из теории Карно и его взглядов на природу теплоты, учёный устанавливает абсолютную температурную шкалу. Продолжая заниматься исследованиями в области термодинамики, Томсон в 1851 г. открыл изменение удельной теплопроводности ферромагнетиков при их намагничивании (эффект Томсона), а в 1856 г. открыл третий термодинамический эффект (эффект Томсона).
Новым важным шагом в развитии кинетической теории газов явилась работа Джемса Клерка Максвелла (18311879) "Пояснение к динамической теории газов" (1860), в которой он впервые вывел закон распределения скоростей газовых молекул.
К середине XIX в. физика электрических и магнитных явлений достигла известного завершения. Был открыт ряд важнейших законов: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока. Теоретические представления также развились в стройную общую концепцию, основанную на представлении о дальнодействии. Вершиной развития теории электрических и магнитных явлений, основанной на этой концепции, была теория Вебера, которая объединила и электростатику, и электромагнетизм того времени. Не существовала, казалось, никаких оснований для революционного переворота в физике электрических и магнитных явлений.
Таково было положение в физике электрических и магнитных явлений к середине XIXв. Однако это спокойствие скоро начало нарушаться. Появляются отдельные высказывания, теории, основанные на представлении о близкодействии в электрических и магнитных явлениях. Одной из таких теорий была теория Максвелла, которая в последующем произвела революционный переворот в электродинамике и в физике вообще. На взгляды Максвелла решающее влияние оказали работы Фарадея и В. Томсона. Изучив работы Фарадея, Максвелл понял, что для торжества и дальнейшего развития этих идей необходимо переложить их на строгий математический язык. Первым шагом в решении этой задачи послужила работа Максвелла "О фарадеевских силовых линиях", опубликованная в 1855-56 гг. В следующей работе "О физических силовых линиях" Максвелл впервые приводит уравнения для электромагнитного поля и строит модель электромагнитного поля. В другой работе Максвелла "Динамическая теория электромагнитного поля", опубликованной в 1864 г., впервые дано определение понятия "электромагнитное поле":
"... электромагнитное поле это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии".
В 1873 г. был опубликован большой труд Максвелла "Трактат об электричестве и магнетизме". В этой фундаментальной работе он подвел итог исследованиям по электричеству и магнетизму и одновременно изложил теорию электрических и магнитных явлений на основе представлений об электромагнитном поле.
Первоначально теория Максвелла не обратила на себя должного внимания. В Англии ряд физиков "поверили" в неё, но и здесь многие учёные встретили её прохладно. Как это ни странно, крупнейший английский физик В. Томсон, идеи которого способствовали появлению работ Максвелла, скептически отнёсся к этой теории. Будучи сторонником теории близкодействия, Томсон, однако, не понял и не принял представления о токе смещения. Томсон был также противником электромагнитной теории света.
Развитие классической электродинамики в Англии после Максвелла шло преимущественно по двум направлениям. Во-первых, совершенствовалась математическая сторона теории Максвелла и были получены некоторые новые результаты. Во-вторых, произошло объединение теории электромагнитного поля с основными идеями теории строения вещества. Последнее направление привело к созданию электронной теории строения вещества.
Систематизацией уравнений Максвелла и приведением их к современному виду занимался английский физик Хевисайд (1850-1925). Он выделяет два основных уравнения и исключает в одном из них вектор-потенциал. Хевисайд в первой же работе, посвящённой теории Максвелла (1885), записывает уравнения Максвелла для общего случая.
Более принципиальное значение для развития теории Максвелла имела работа англичанина Пойнтинга (1852-1914), вышедшая в 1884 г. В ней был рассмотрен вопрос о движении энергии электромагнитного поля и получено выражение для вектора потока энергии электромагнитного поля (вектор Умова-Пойнтинга).
Позже, уже в конце XIX в., наряду с вектором потока энергии электромагнитного поля возникло и представление об импульсе электромагнитного поля. Впервые мысль о существовании импульса электромагнитного поля высказал Томсон Дж.Дж. (1856-1940), исходя из построенной им механической модели электромагнитного поля.
Перейдём теперь к истории развития электронной теории, которая начинается с зарождения гипотезы о том, что с частицами вещества связаны электрические заряды. Впервые эта идея зародилась в процессе изучения электролиза. Английский физик Фарадей, занимавшийся изучением электролиза и открывший его основные законы, отметил, что с каждым атомом вещества должен быть связан определённый электрический заряд. Это следует из закона, согласно которому существует постоянное соотношение между величиной прошедшего заряда и количеством перенесённого к электродам вещества. На высказывание Фарадея обратил внимание другой английский физик Дж. Стоней (1826-1911) в докладе, прочитанном в 1874 г., но опубликованном в 1881 г. Этот доклад был посвящён вопросу выбора основных физический единиц. В качестве универсальной основной системы единиц Стоней предложил принять "естественную" систему, а именно: скорость света, постоянную тяготения и электрический элементарный заряд. Существование электрического элементарного заряда, по мнению Стонея, следует из законов электролиза и основных положений молекулярной теории. В 1891 г. Стоней предложил назвать элементарный электрический заряд электроном. Он писал, что "эти заряды, которые удобно назвать "электронами", не могут быть отделены от атомов".
В 50-х гг. XIX в. были открыты катодные лучи. Многие физики полагали, что катодные лучи это поток заряженных частиц. О природе этих частиц единого мнения не существовало. Так, например, английский физик Варли Кромвелл (1828 - 1883) в 1871 г. предположил, что катодные лучи несут отрицательный электрический заряд. Другой английский физик Крукс (1832-1919), занимавшийся в 70-х годах исследованием катодных лучей, доказал, что катодные лучи переносят энергию и импульс; ввёл понятие о четвёртом состоянии материи.
К 80-м годам было окончательно выяснено, что газы не являются абсолютными изоляторами и проводят электрический ток. Английский физик Артур Шустер (1851-1934) считал, что частицы газов ионы всегда несут определённый электрический заряд. Продолжая свои исследования, Шустер в 1890 г. определил верхний и нижний пределы для отношения заряда к массе частиц катодных лучей. Другим английским физиком Таунсендом (1868-1957) в 1897-98 г. было проведено прямое измерение заряда, переносимого ионом газа.
Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые вызвали научную революцию во взглядах физиков. Важнейшим из них было открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости. Исследованиями в этой области занимался английский физик Дж. Дж. Томсон.
Заинтересовавшись открытием рентгеновских лучей, Томсон совместно с совсем еще молодым Резерфордом (1871-1937) занялись изучением свойства катодных лучей, которые как он считал, также являются потоком заряженных частиц, и провел целую серию экспериментальных исследований по измерению отношения заряда к массе для катодных частиц. Эти исследования и привели его к открытию электрона в 1897 г. Вскоре Томсон определил отношение заряда к массе для заряженных частиц, получаемых при освещении ультрафиолетовыми лучами поверхности металла, т. е. использовал явление фотоэффекта, а в 1899 г. обнаружил электроны в фототоке и эффект термоэлектронной эмиссии.
В 1888 1889 гг. Хевисайд рассмотрел вопрос об электрическом и магнитном поле точечного заряда, движущегося с любой скоростью. В 1893 г. Дж. Дж. Томсон опубликовал расчёты электрического и магнитного полей движущегося с любой скоростью, меньшей скорости света, заряженного шара. Оказалось, что электрическое поле заряженного шара зависит от скорости его движения. В результате исследований они получили результат, который говорил о том, что величина e/m переменная, зависящая от скорости движения.
Открытие зависимости массы от скорости и гипотеза о чисто электромагнитной природе массы лишали как будто тела материальности. Возникла потребность пересмотреть и другой всеобщий физический закон закон сохранения количества движения. Учитывая открытия в области электродинамики, следовало принять, что изолированная система весомых тел не сохраняет постоянной общую величину количества движения всех частиц, входящих в неё.
Физики, продолжавшие придерживаться материалистических взглядов, пытались найти выход из создавшегося положения, основываясь на прежних представлениях об эфире как некой среде, к которой применимы основные законы механики. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, основываясь на представлении об особой среде, скрытые движения которой обусловливают электромагнитные явления. Однако модель электромагнитного эфира, используемая Максвеллом, была несовершенна и противоречива (он и сам ее рассматривал как временную). Поэтому учёные, пытаясь усовершенствовать эту модель, возвращались к картезианским взглядам. С точки зрения теории Дж. Дж. Томсона вопрос об электромагнитной массе так же, как и вопрос сохранения массы и количества движения, не вызвал принципиальных трудностей. Действительно, электромагнитная масса в свете этой теории понималась как масса, характеризующая не инерцию самих частиц, а инерцию эфира, увлекаемого движением последних. Закон сохранения количества движения также оказывался верным, если учитывать количество движения эфира при образовании электромагнитного поля.
Существование эфира в конце XIX в. уже начали подвергать сомнению. Особенно это было характерно для физиков, находящихся под влиянием позитивистской философии. Так же, как атом и молекулу, эфир нельзя было наблюдать непосредственно. В результате этого к началу XX в. некоторые учёные начинают скептически относиться к гипотезе эфира. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX-XX вв., можно охарактеризовать как "кризис физики".
