Сади Карнооткрыл принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, в 1824 г. открыл. Его называют также вторым началом термодинамики.

Дальнодействие и близкодействие. Рационалистическое мировоззрение предполагает, что любое событие имеет причину, и эта причина материальна: то, что мы называем силой, представляет собой воздействие со стороны материального тела (тел). Поэтому любая программа рационального объяснения окружающего мира включает представления о механизмах взаимодействия материальных объектов.

В физике первоначально утвердилось представление о том, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия - мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Однако теории получались крайне противоречивыми и, главное, - многочисленными. Попытки построить единую теорию на основе идеи дальнодействия неизменно проваливались.

До поры все открытия трактовались в рамках механической картины мира: электрические и магнитные явления сводились к механическому движению особых субстанций – электрического и магнитного флюидов (жидкостей); при этом не подвергался сомнению принцип дальнодействия. Исключением стали взгляды Майкла Фарадея, который считал, что электрическое действие передается посредством непрерывной среды, отталкиваясь, таким образом, от принципа близкодействия. Концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, выполняющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия - концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия.

Он объяснил электризацию проводников и намагничивание вещества как процессы, передающиеся постепенно, от точки к точке. А поскольку передача происходит и через вакуум, то и там должен быть какой-то материальный посредник.

Электромагнитная картина мира. Так возникла идея электромагнитного поля, передающего взаимодействие. Эта теория не только объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала электромагнитную природу света. Развил и математически оформил эту идею Джеймс Кларк Максвелл. Благодаря ему и Фарадею, к концу XIX века возникает новая научная картина мира — электромагнитная. Максвелл, обобщая открытия Эрстеда и Фарадея, устанавливает органическую связь между электричеством и магнетизмом и вводит понятие электромагнитного поля. Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.

Основная роль поля — передача взаимодействия. Механизм передачи взаимодействия с помощью поля состоит в следующем. Тело, участвующее во взаимодействии, создает вокруг себя поле, которое занимает неопределенно большую область пространства. Другие тела взаимодействуют не непосредственно с первым телом, а с созданным им полем в тех точках, где они находятся. Изменение состояния одного из взаимодействующих тел вызывает возмущение созданного им поля, которое (изменение), распространяясь в виде волны, достигает других тел, и лишь тогда их состояние начинает меняться. Полевой механизм взаимодействия укладывается в рамки концепции близкодействия. Максвелл сформулировал законы электромагнетизма, подведя теоретический базис под опыт явлений электромагнетизма, полученный из предшествующих эмпирических исследований.

Если материя в электромагнитной картине мира — это не только дискретные атомы, но и поле, непрерывное в пространстве и не имеющее определенных границ, то движение в этом случае понимается не только как перемещение частиц, но и как изменение электромагнитного поля — электромагнитные волны. Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Максвелл получает волновое уравнение, из которого следовало, что в пустоте должны распространяться электромагнитные волны, скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Отсюда был сделан вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

Спустя 20 лет (в1888г.) Генрих Герц экспериментально доказал их существование, осуществив передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн.

Несостоятельность механического детерминизма. Понятие состояния.В середине XIX века Максвелл вывел уравнения, описывавшие все электрические и магнитные явления и с успехом прошедшие все экспериментальные проверки. Но они противоречили классическим законам механики. Если принять, что законы механики верны во всех инерциальных системах отсчета, тодляэлектродинамики Максвелла это правило как будто не подходило. Преобразования Галилея изменяли вид уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла оказались неинвариантны (изменялись) относительно системы отсчета. Это означало, что уравнения Максвелла не соответствовали механистическим законам, законам Ньютона.

Уравнения ньютоновской механики оказались действительно инвариантными относительно преобразований Галилея. Что-то было не в порядке либо с первыми, либо со вторыми. Это была проблема, поставившая под вопрос состоятельность механистической картины мира.

Молекулярно-кинетическая теория: неизбежность случайности. Как известно, в механической картине мира впервые оформилось понятие состояния физической системы. В наиболее общей формулировке, состояние системы — это совокупность данных, позволяющая предсказать эволюцию системы во времени.

В механике состояние системы описывается значениями физических величин — координат и скоростей тел, входящих в систему. Законы механики позволяют по начальному состоянию системы однозначно определить значения физических величин, определяющих ее состояние, для любого будущего или прошлого момента времени. Тем же свойством обладают уравнения электродинамики Максвелла, с той лишь разницей, что в ней состояние системы определяется не координатами и скоростями частиц, а значениями электрического и магнитного полей в каждой точке пространства. Поэтому детерминизм так же свойствен электромагнитной картине мира, как и механической. Однако тот же Максвелл стал одним из создателей теории, продемонстрировавшей несостоятельность механического детерминизма — молекулярно-кинетической теории газов.

Первоначально основная идея молекулярно-кинетической теории (МКТ) заключалась в том, чтобы, рассмотрев механическое движение молекул газа, теоретически вывести законы термодинамики, установленные опытным путем. Главная трудность на этом пути — огромное число молекул в любой представляющей интерес системе.

Число молекул обычно соизмеримо с числом Авогадро, NA = 6×10²³. Совершенно нереально даже записать уравнения движения для каждой из такого количества молекул, не говоря уже о том, чтобы решить. Поэтому Максвеллу пришлось изменить саму постановку задачи. Вместо того чтобы искать, каковы в точности положение и скорость данной молекулы, он задался вопросом, какова вероятность того, что скорость молекулы имеет определенное значение.

Поначалу Максвелл полагал, что использование вероятностей является лишь техническим приемом, позволяющим упростить решение трудной задачи. Однако в ходе исследований он пришел к убеждению, что в системах большого числа частиц присутствует элемент случайности, который принципиально не может быть учтен в рамках механической, детерминированной схемы.

Аналогичную эволюцию претерпели взгляды другого выдающегося физика XIX века, Людвига Больцмана. Начав с попыток вывести законы термодинамики из ньютоновской механики молекул, он пришел к пониманию того, что поведение больших коллективов частиц управляется более глубокими законами — не механическими, а вероятностными.

Таким образом, молекулярно-кинетическая теория впервые показала несостоятельность механического детерминизма и плодотворность статистического, вероятностного подхода в отношении многочастичных систем. В молекулярно-кинетической теории появился совершенно новый подход к описанию состояния системы. Состояние описывалось теперь не значениями физических величин, а вероятностями этих значений. Этот подход оказался чрезвычайно плодотворным при построении фундаментальных естественнонаучных теорий XX века.

Таким образом, Максвелл является не только создателем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он установил статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем.

Концепция эфира. Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности волны. В какой же среде распространяются электромагнитные волны?

Чтобы объяснить распространение электромагнитных волн Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняющего пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась при этом как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством.

Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу. Соответственно распространение световых волн уподоблялось распространению звука в упругой среде. Но гипотеза механического эфира встретилась с большими трудностями. Субстанция, осуществляющая взаимодействие электромагнитных волн с веществом, должна была тогда обладать парадоксальными свойствами. Передавая свет и другие электромагнитные волны, она должна быть абсолютно твердой (поперечность световых волн требовала от эфира свойств абсолютно твердого тела, т.к. скорость света велика), и одновременно она не должна оказывать никакого сопротивления движению небесных тел. Кроме того, она должна быть абсолютно прозрачной.

Нерешенным оставался также вопрос об участии эфира в движении тел. Ряд явлений, например, аберрация света, приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении.

Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир, и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления ее движения в эфире. Однако этого не было обнаружено - опыт дал отрицательный результат.

Попытку внести ясность в эти вопросы осуществили американские физики А.Майкельсон и Э.Морли в 1881 году, поставив опыт для выяснения участия эфира в движении тел. Воспользовавшись обстоятельством, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно системы отсчета (не сохраняются), Майкельсон и Морли осуществили интерферометрическое сравнение пучков света, распространявшихся поперек движения Земли и вдоль него. Интерференция света – это физическое явление, при котором два луча света накладываются друг на друга (свойство поперечности волн). При этом на экране возникает картина чередующихся темных и светлых полос.

Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет. Кроме того, они обнаружили, что если скорости движения сравнимы со скоростью света (а свет можно рассматривать как электромагнитную волну), то утрачивают силу преобразования Галилея: нарушается классический закон сложения скоростей.

Итак, существование абсолютной среды – эфира – не подтверждалось. Эфир настойчиво продолжал оставаться «выродком» в среде физических субстанций».

Преобразования Лоренца.Открытие Майкельсона-Морли вызвало большое волнение среди ученых. Сами его авторы в течение 40 лет трижды повторяли измерения, каждый раз повышая их точность на порядок, — с тем же результатом. Появился целый ряд теорий, пытавшихся спасти закон сложения скоростей и объяснить, почему опыт Майкельсона-Морли дает «неправильный» результат. Наиболее последовательная из них принадлежала Хендрику Лоренцу. На базе преобразований Лоренца, которые были получены в 1904 году как преобразования, по отношению к которым уравнения классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид, можно было объяснить всю совокупность результатов в области электродинамики движущихся тел в начале века.

Сторонник сохранения уравнений Максвелла Хендрик Лоренц, привязав эти уравнения к эфиру как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Галилея, его преобразованиями и сформулировал свои преобразования.Из преобразований следовало, что пространственные и временные интервалы при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой неинвариантны, т.е. не сохраняются. Из них видно, что должен меняться и темп хода времени при переходе (инвариантность означает неизменность физических величин при переходе от одной системы отсчета к другой).

Постепенно становилось ясно, что никакой эксперимент не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Проблема эфира приобрела фундаментальный характер, поскольку эта среда заняла в физике чрезвычайно важное место. Оказывалось, что физика покоится на зыбких основаниях. Они и были пересмотрены в процессе создания теории относительности. Отмеченные выше открытия, тем не менее, обогатили классическую картину мира.

На этом проблемы классической картины мира не закончились. Из термодинамики и законов электромагнетизма следовало, что максимальная интенсивность излучения черного тела должна приходиться на коротковолновую область спектра. Но эксперимент дал прямо противоположный результат: в этой области наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхождение теории с экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы».

Ультрафиолетовая катастрофа и неудача опыта Майкельсона-Морли были теми облачками на ясном небосклоне физики, из которых очень скоро родились квантовая механика и теория относительности: переход к квантово-механической картине мира позволил снять противоречия, возникшие с связи с «ультрафиолетовой катастрофой», а неудача опыта Майкельсона-Морли по поиску эфира стала понятной лишь в результате создания А.Эйнштейном теории относительности. А открытие законов электромагнетизма и невозможность дать им механистическое объяснение привели к созданию электродинамической теории физических процессов. Дополненная потом постулатами теории относительности она в конечном итоге привела к формированию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

К концу XIX века ряд важнейших открытий в физике микромира показали ограниченность теоретических моделей и принципов классической электродинамики. В естествознании произошел подлинный переворот, приведший к созданию квантово-релятивистской картины мира (КРКМ).