Страница 1

Концепции макромира классической физики и концепции микромира современной науки

Страница 1

В изучении природы можно различать два этапа: донаучный и научный этапы.

Донаучный или натурфилософский этап охватывает период начиная от античного периода до установления экспериментального естествознания XVI-XVIIвека. Представления о природе в этот период носили чисто натурфилософский характер, наблюдаемые природные явления объяснялись на основе смонтированных умственным путем философских принципов. Самым большим достижением естествознания в этот период явилась, считавшаяся дискретивной концепцией строения материи, учение античного атомизма. Согласно этому учению, все тела формируются из считающихся самыми маленькими частицами материи атомов. Согласно античному атомизму предоставившему первичную теоретическую модель атома, атомы являются невидимыми, неделимыми и непроницаемыми микрочастицами, отличаются друг от друга только количественными отношениями – формой, размерами, строем.

Античный атомизм, который объяснял целое как механическую совокупность формирующих его частей, явился первой теоретической программой.[1] Исходными понятиями атомизма были атом и вакуум. Согласно создателю этого учения Демокриту, вакуум необходим для объяснения механического размещения тел в пространстве и их деформации (сжатие, удлинение и другие) под влиянием внешних сил. Атомизм объяснял сущность протекания природных процессов механическим взаимовлиянием атомов, их притяжением и отталкиванием.

Механическая программа объяснения природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, реализовалась в классической механике, положившей начало изучению природы научным способом.

Современные научные представления о структурных уровнях формирования материи следует начинать с концепции классической физики об изучении микромира, которая зародилась в результате критического исследования представлений классической механики, которые применяются только в микромире.

Формирование научных представлений о строении материи относится к XVI веку, к периоду заложения Г.Галилеем основы механической картины мира. Галилей не только обосновал гелиоцентрическую систему Н.Коперника, открыл законы инерции движения и свободного падения, он также разработал новый методологический способ описания природы – научно-теоретический метод. Сущность этого метода заключается в том, что, отобрав целый ряд физических и геометрических характеристик природы, Галилей превратил их в предмет научного исследования. Отбор отдельных характеристик объекта предоставил возможность созданию теоретических моделей и проверке их на основе научного эксперимента. Сформулированная Галилеем методологическая концепция сыграла решающую роль в утверждении классического естествознания.

Опираясь на исследования Галилея, И.Ньютон разработал механическую научную теорию движения земных и небесных тел по одним и тем же законам, рассматривая природу как сложную систему. Разработки Ньютона и его последователей послужили основой для создания дискретной (корпускулярной) модели реальности в рамках механической картины мира. Здесь материя рассматривается как материальная субстанция, сформированная из отдельных атомов или корпускуляров, свойства массы и веса приписываются неделимым, неизменным, непроникновенным атомам.

Ньютон сформулировал важную характеристику мира – трехмерное пространство, находящееся в обязательно неизменном и долговечном покое эвклидовой геометрии. Это пространство однородно и изотропно. Причина однородности пространства заключалась в неизменности геометрических свойств во всех точках, причиной изотропности – неизменность этих свойств во всех направлениях. Ньютон, отделив время от материальных процессов, также абсолютизировал его и отождествлял его с одной из метрических характеристик времени – продолжительностью. Во взглядах Ньютона единомерное абсолютное время, описываемое, как равноскоростное течение нематериальной субстанции от прошлого к настоящему, обладает беспрерывной структурой, однородно, изотропно, бесконечно и универсально. Ньютон объяснял однородность времени ковариантивностью законов движения относительно превращений Галилея, изотропность – ковариантивностью законов движения относительно временной инверсии.

Ньютон рассматривал движение как перемещение в пространстве, происходящем по всей протяженности беспрерывной траектории на основе законов механики, и выдвинул предположение о том, что физические процессы могут соотноситься с перемещением под влиянием сил притяжения, считающихся силами влияния на дальние расстояния, которые присущи материальным точкам.

Французский ученый и философ Р.Декарт, выступая со своей дуалистической концепцией об отношении материи и мышления, обосновывал механическое объяснение природы философской стороной и показал, что можно объективно объяснить мир, не принимая во внимание человека-наблюдателя. Звучащая в такт с ньютоновскими взглядами эта вера сыграла большую роль в направленности развития естественных наук в этот период.

В отличие от натурфилософии механический подход к описанию природы оказался необыкновенно продуктивным. Вслед за механикой Галилея-Ньютона оформились другие области физики, сопровождаемые небывалыми достижениями, в том числе гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других теорий. Однако в этот период оставались две области, которые не могли быть объяснены в рамках механической картины мира – оптика и электромагнитные явления.

Основы оптики разработал Ньютон. Он выдвинул корпускулярную теорию света и открыл явление дисперсии света. Согласно логике своего учения Ньютон считал свет потоком материальных частичек-корпускуляров и предполагал, что каждый светящийся предмет излучает мелкие частицы, которые движутся согласно законам механики и попадая на глаза порождают чувство зрения. На основе теории Ньютона было дано объяснение законам отображения и преломления света.

Голландский ученый Х.Хуигенс попытался объяснить оптические явления принципиально другим путем – на основе сформулированной им же теории волны. Теория волны света с целью создания аналогии между механической волной, распространяющейся на поверхности воды, и распространяющимся в воздухе светом выдвигала представления о заполнении эфиром всего пространства считающегося средой упругости. Согласно этому представлению свет рассматривается как распространение волн эфира в среде и предполагается, что каждая точка эфира, колеблясь в вертикальном направлении, создает картину волны, меняющей свое место от одного мгновения к другому в пространстве колебания всех его точек. Х.Хуигенс, исходя и теории волны, с успехом объяснил также отражение и преломление света. Однако, в этот период был известен один факт, направленный против теории Хуигенса. Физикам было известно, что механическая волна может преодолеть появившиеся на ее пути препятствие. Хотя луч света, распространяющийся прямолинейно, не может преодолеть препятствие, опыты показали, что позади непрозрачного тела, на который направлен луч света, образуется его тень с резкими границами. Однако обнаруженное вскоре явление дифракции света положило конец всем сомнениям в теории Хуигенса. Таким образом, влияние Ньютона в этот период было столь велико, что не смотря на то, что его корпускулярная теория не смогла объяснить явление дифракции, она была беспрекословно принята.

Теория волны света в начале XIX века была вновь выдвинута английским физиком Т.Юнгом и французским ученым О.Д.Френелем. Т.Юнг на основе теории волны сумел объяснить явление интерференции, то есть явление усиления или ослабления друг другом во взаимном порядке когерентных волн света, встречающихся в любой точке пространства. Согласно теории волны усиления или ослабления друг другом когерентных волн света зависит от совпадения друг с другом выпуклостей или впадин встречающихся волн.

Явление интерференции дифракции объяснялись только в рамках теории волны и не находили никакого своего объяснения в рамках корпускулярной теории света.

В этот период существовала другая область физики, которая адекватно не считалась с механическими законами – область электромагнитных явлений. Опыты английского естествознателя М.Фарадея и теоретические исследования физика К.Максвелла перевернули с ног на голову существующие представления о существовании единственного вида материи - дискретного вещества и заложили основу электромагнитной картины мира. Датский естествознатель Х.Эрстед, изучавший магнитное влияние электрического тока в 20-х годах прошлого века открыл явление электромагнетизма. Продолжавший исследования в этом направлении М.Фарадей доказал на чувствительных опытах, что изменение магнитного поля, проходящего через замкнутый контур, порождает течение индукции в этом контуре. Это явление, которое открыло новый период в истории физики, получило название электромагнитной индукции. Обладающий талантом великого исследователя и широким воображением Фарадей на основе анализа результатов реализованных в жизнь физических опытов выдвинул понятие «силовые линии» и с его помощью дал точное описание меняющегося от точки к точке влияния электрических сил в «силовом поле». Опираясь на представления о силовых линиях он вскоре выдвинул гениальную мысль о том, что в природе существует родственная связь между электричеством и светом. Исходя из идеи единства света и электричества Фарадей в новой оптике, которую он хотел создать и обосновать экспериментальным путем начал рассматривать свет как колебание в силовом поле и в результате пришел к заключению о том, что учение об электричестве и оптика находятся во взаимной связи друг с другом и создают единую область.

К.Максвелл, доказывавший исследования М.Фарадея в области электромагнетизма, подошел к его идее о магнетизме и электричестве с математической точки зрения и выразил ее математическими формулами. В понимании Фарадея понятие «силовое поле» было только вспомогательным математическим понятием. К.Максвелл же придал этому понятию физическое значение и рассматривал его как независимую реальность. Он по этому поводу писал: «Электромагнитная область – часть пространства, содержащая и окружающая находящиеся в состоянии электричества или магнетизма тела».[2] Максвелл на основе объединения обнаруженных экспериментальным путем законов электромагнитных явлений и явления электромагнитной индукции чисто математическим способом создал систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы. Давший полное описание электромагнитных явлений в границах их применения Максвелл создал систему уравнений точь-в-точь как система механики Ньютона – завершенную, адекватную, совершенную с точки зрения логики. Из этих уравнений вытекал вывод о том, что вполне возможно существование электромагнитного поля, «не связанного» ни с каким электрическим зарядом. Согласно дифференциальным уравнениям Максвелла вихревые электрические и магнитные поля определяются не их изменением, а изменением другого поля с течением времени: интенсивность вихревого электрического поля определяется изменением с течением времени магнитного поля и наоборот, интенсивность вихревого магнитного поля определяется временными изменениями электрического поля .

Поэтому, если в какой-либо точке пространства существует меняющихся с течением времени магнитное поле, значит вокруг этой точки создается меняющееся с временем (вихревое) электрическое поле и наоборот. В результате этого процесса происходит постоянное изменение векторов электрическое и магнитного полей, уже не связано с электрическим зарядом и рассматривается в пространстве как отдельное от него независимое существование. Теоретические вычисления показали, что скорость рассеивания электрического поля в пространстве равна скорости волны по своей природе являются электромагнитными волнами. Выдвинутая в 1945 году М.Фарадеем и обоснованная в 1862 году К.Максвеллом идея о едином происхождении света и электричества в 1888 году была подтверждена немецким физиком Г.Герцем экспериментально. В опытах между заряженными шариками, получались электромагнитные волны и эти волны, попадая на виток кругового провода, создают в нем ток. Герц, изучавший отражение и интерференцию электромагнитных волн, доказал существование их волнообразного процесса и измерил длину волн. Герц, измерив скорость электромагнитных волн на основе скорости колебаний, заметил, что их скорость равна скорости света. Опыты Герца непосредственно утвердили истинность гипотезы Максвелла. После опытов Герца понятие «поле» в физике стало не вспомогательным математическим сочетанием, а было утверждено как объективно существующая физическая реальность. Таким образом, был обнаружен новый вид поля, материал нового качества присущий ей.

Таким образом, в конце XIX века физика пришла к выводу о том, что материя существует в двух формах: дискретное вещество и непрерываемое поле.[3]

Вещество – вид материи, обладающий покоящейся массой или механической массой. Вещество состоит из атомов и существует в 7 агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газ, плазма, эпиплазма, нейтрон, вакуум.

Другой вид материи – поле – это материальная среда, связывающая тела друг с другом и переносящая влияние с одного тела на другое. В качестве примеров физических полей можно назвать гравитационное (притяжения) поле, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, поле ядерных сил, различные мезонские поля и другие.

Вещество макроскопического уровня (простые тела) и поле (гравитационное поле, электромагнитное поле) в основном отличаются следующими особенностями.[4]

1. Вещество и поле отличаются покоящейся массой. В случае, когда частицы вещества обладают покоящейся массой, частицы поля обладают только движущейся массой.

2. Вещество и поле отличаются сущностью корпускуляров волны: вещество дискретно, сформировано из атомов; поле беспрерывно.

3. Вещество и поле отличаются степенью проникновения: вещество проникает мало, наоборот поле полностью проникает.

4. Вещество и поле отличаются закономерностями движения. Скорость движения частиц вещества разнообразна, в случае когда они могут пребывать в полном покое и до приобретения скорости света, частицы поля имеют стабильную скорость, в вакууме их скорость равна скорости света.

5. Вещество и поле отличаются степенью самостоятельности: Частицы вещества характеризуются конечной степенью самостоятельности, частицы же поля – бесконечной степенью самостоятельности.

6. Вещество и поле отличаются степенью концентрации массы и энергии: эта концентрация велика в веществе, и мала в поле.

Революционные открытия, произошедшие в физике в конце XIX - начале ХХ веков доказали, что физическая реальность стала единой, что между веществом и полем не существует обязательной границы, непреодолимого препятствия: точь-в-точь как и вещество поле обладает свойством корпускулярности, вещество же точь-в-точь как и поле обладает свойством волновости.