Текст книги "Концепции современного естествознания. Учебное пособие"

В конце XIX – начале XX вв. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили представления о существующей на тот момент картине мира. Прежде всего это были открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии.

Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Электрон открыл в 1895 г. английский физик Д. Томсон (1856–1940). Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Первую модель строения атома предложил английский ученый Э. Резерфорд (1871–1937). Согласно этой модели атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов должны были упасть на ядро. Но опыт показал, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и что для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована в 1913 г. выдающимся датским физиком Н. Бором (1885–1962), который предположил, что при вращении по т. н. стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

В 30-е гг. XX в. было сделано другое важное открытие, которое показало, что элементарные частицы, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путем было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы.

Н. Бор сформулировал свой знаменитый принцип дополнительности, согласно которому некоторые эффекты и процессы можно объяснить волновой теорией, другие – квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы и из волновой, и из квантовой теорий для более полного описания процессов. Именно в это время возникает новая волновая, или квантовая, механика для описания процессов, происходящих в мире мельчайших частиц – микромире.

По словам великого немецкого физика В. Гейзенберга(1901–1976), в квантовой механике неимоверно возросло значение эксперимента: «Наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет»[1]1
  Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989. С. 24.


[Закрыть]. Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а во-вторых, представление о субъектно-объектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы»[2]2
  Там же.


[Закрыть].

Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира с позиций квантовой механики стали следующие:

1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;

2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света);

3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;

4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее;

5) точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.

Другая фундаментальная теория современной физики – теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Г. Галилеем принцип относительности в механическом движении. Также эта теория впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся тел и их пространственно-временной метрикой. А. Эйнштейн (1879–1955), выдающийся американский ученый, физик-теоретик, сформулировал некоторые основные свойства пространства и времени исходя из своей теории:

1) их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть);

2) их абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования;

3) неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей;

4) единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве;

5) количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств. По существу относительность восторжествовала и в квантовой механике, т. к. ученые признали, что нельзя:

1) найти объективную истину безотносительно от измерительного прибора;

2) знать одновременно и положение, и скорость частиц;

3) установить, имеем мы в микромире дело с частицами или с волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX в. Учитывая столь огромный вклад в современную науку и большое влияние на нее А. Эйнштейна, третью фундаментальную парадигму в истории науки и естествознания назвали эйнштейновской.

Другие основные достижения современной научно-технической революции сводятся к созданию ОТС – общей теории систем, позволившей взглянуть на мир как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем.

В 1970-х гг. появилось такое междисциплинарное направление исследований, как синергетика, изучающая процессы самоорганизации в системах любой природы: физических, химических, биологических и социальных.

Произошел огромный прорыв в науках, изучающих живую природу. Переход от клеточного уровня исследования к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез происхождения жизни и многого другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники. В свою очередь живые системы послужили для химии природной лабораторией, опыт которой ученые стремились воплотить в своих исследованиях по синтезу сложных соединений.

Говоря о революциях в естествознании (а их всегда как минимум выделяют три: аристотелевскую, ньютоновскую и эйнштейновскую) следует отказаться от наивных и предвзятых представлений о них как процессах, связанных с ликвидацией прежнего знания, с отказом от преемственности в развитии науки и прежде всего ранее накопленного и проверенного эмпирического материала, а признать и принять весьма актуальный в связи с существующей проблемой «радикальных прорывов» в науке принцип соответствия Н. Бора, который гласит, что ни одна новая теория не отрицает начисто предыдущую, а вбирает ее в себя на правах частного случая.

Лекция 4. Принципы, категории и законы физической картины мира

Что понимается под физической картиной мира? Под физической картиной мира мы будем понимать образ мира, складывающийся как в результате деятельности сообщества физиков, так и в результате логико-методологического и философского осмысления и критики этого образа.

Смысловыми блоками – этапами построения физической картины мира – являются: классическая физика, включающая механику, оптику, термодинамику, электродинамику, и неклассическая физика, включающая специальную и общую теорию относительности, квантовую механику, квантовую теорию поля, элементы построения единой теории поля.

1. Классическая физика. Классическая механика

Возникновение классической механики явилось началом превращения физики в строгую науку, т. е. систему знания, утверждающую истинность, объективность, обоснованность и проверяемость как своих исходных принципов, так и своих конечных выводов. Это возникновение происходило в XVI–XVII в. и связано с именами Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона. Именно они осуществили «математизацию» природы и заложили основы экспериментально-математического взгляда на природу. Они представили природу как множество «материальных» точек, обладающих пространственно-геометрическими (форма), количественно-математическими (число, величина) и механическими (движение) свойствами и связанных причинно-следственными зависимостями, которые можно выразить в уравнениях математики.

Начало превращения физики в строгую науку было положено Г. Галилеем. Он сформулировал ряд фундаментальных принципов и законов механики. А именно:

1) принцип инерции, согласно которому, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлении движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;

2) принцип относительности, согласно которому в инерциальных системах все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится;

3) принцип сохранения скоростей и сохранения пространственных и временных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой. Это знаменитое галилеево преобразование.

Целостный вид логико-математически организованной системы основных понятий, принципов и законов механика получила в работах Исаака Ньютона, прежде всего в работе «Математические начала натуральной философии». В этой работе Ньютон вводит понятия: масса, или количество материи, инерция, или свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или движения, вес как мера массы, сила, или действие, производимое на тело для изменения его состояния.

И. Ньютон различал абсолютные (истинные, математические) пространство и время, которые не зависят от находящихся в них тел и всегда равны сами себе, и относительные пространство и время – подвижные части пространства и измеряемые длительности времени.

Особое место в концепции И. Ньютона занимает учение о силе тяготения, или гравитации, в котором он объединяет движение «небесных» и земных тел. Это учение включает утверждения:

1) тяжесть тела пропорциональна заключенному в нем количеству материи или массы;

2) сила тяжести пропорциональна массе;

3) сила тяжести, или тяготение, и есть та сила, которая действует между Землей и Луной обратно пропорционально квадрату расстояния между ними;

4) эта сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.

В отношении природы силы тяготения И. Ньютон говорил: «Гипотез не измышляю».

Механика Галилея – Ньютона, развитая в работах Д. Аламбера, Ж. Л. Лагранжа, П. С. Лапласа, У. Р. Гамильтона, получила в итоге стройную форму, определяющую физическую картину мира того времени. Эта картина основывалась на принципах самотождественности физического тела; его независимости от пространства и времени; детерминированности, т. е. строгой однозначной причинно-следственной связи между конкретными состояниями физических тел; обратимости всех физических процессов.

2. Термодинамика

Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в XIX в. С. Кално, Р. Майером, Д. Джоулем, Г. Гемгольцем, Р. Клаузиусом, У. Томсоном (лордом Кельвином), привели к выводам, о которых Р. Майер писал: «Движение, теплота… электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам»[3]3
  Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. М., 1933. С. 62.


[Закрыть]. Г. Гемгольц обобщает это утверждение Р. Майера в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна»[4]4
  Гельмгольц Г. О сохранении сил. М., 1922. С. 15.


[Закрыть]. Уильям Томсон уточнил понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив энергию как способность совершать работу. Р. Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями сообщества физиков был сформулирован фундаментальный для всего физического знания закон сохранения и превращения энергии.

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона – закона возрастания энтропии. «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, – писал Р. Клаузиус, – не может иметь места без компенсации»[5]5
  Клаузиус Р. Механическая теория тепла // Второе начало термодинамики. М., 1954. С. 134.


[Закрыть]. Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией. Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо. Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, называют вторым началом термодинамики. Первое начало – закон сохранения и превращения энергии.

Принцип возрастания энтропии поставил перед физической мыслью ряд проблем: соотношения обратимости и необратимости физических процессов, формальности сохранения энергии, не способной совершать работу при температурной однородности тел. Все это требовало более глубокого обоснования начал термодинамики, прежде всего природы тепла.

Попытку такого обоснования предпринял Людвиг Больцман, который пришел, опираясь на молекулярно-атомное представление о природе теплоты, к выводу о статистическом характере второго закона термодинамики, т. к. вследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения мы наблюдаем лишь средние значения.

Определение же средних значений – задача теории вероятностей. При максимальном температурном равновесии максимален и хаос движения молекул, в котором исчезает всякий порядок. Встает вопрос: может ли и если да, то как, из хаоса снова возникнуть порядок? На это физика сможет ответить лишь через сто лет, введя принцип симметрии и принцип синергии.

3. Электродинамика

К середине XIX в. физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Был открыт ряд важнейших законов Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и т. д. Все эти законы базировались на принципе дальнодействия. Исключением были взгляды Фарадея, который считал, что электрическое действие передается посредством непрерывной среды, т. е. на основе принципа близкодействия. Опираясь на идеи М. Фарадея, английский физик Дж. Максвелл вводит понятие электромагнитного поля и описывает «открытое» им состояние материи в своих уравнениях…«Электромагнитное поле, – пишет Дж. Максвелл, – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»[6]6
  Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1952. С. 175.


[Закрыть]. Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Дж. Максвелл получает волновое уравнение, из которого следует существование электромагнитных волн, скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Существование таких электромагнитных волн экспериментально было подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 г.

Для того чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона, т. е. малой электрически заряженной частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 г. немецким физиком П. Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле. В 1897 г. У. Томсон экспериментально подтвердил наличие мельчайшей отрицательно заряженной частицы, или электрона.

Так в рамках классической физики возникла достаточно стройная и завершенная картина мира, описывающая и объясняющая движение, гравитацию, теплоту, электричество и магнетизм, свет. Это и дало повод лорду Кельвину (У. Томсону) сказать, что здание физики практически построено, не хватает лишь нескольких деталей…

Во-первых, оказалось, что уравнения Дж. Максвелла являются неинвариантными относительно преобразований Г. Галилея. Во-вторых, теория эфира как абсолютной системы координат, к которой «привязаны» уравнения Дж. Максвелла, не нашла экспериментального подтверждения. Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет. Сторонник сохранения уравнений Дж. Максвелла Гендрик Лоренц, «привязав» эти уравнения к эфиру как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Г. Галилея, его преобразованиями и сформулировал свои преобразования. Из преобразований Г. Лоренца следовало, что пространственные и временные интервалы неинвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Все бы ничего, но существование абсолютной среды – эфира – не подтверждалось, как отмечалось, опытно-экспериментально. Это кризис.

4. Неклассическая физика. Специальная теория относительности

Описывая логику создания специальной теории относительности, Альберт Эйнштейн в совместной с Л. Инфельдом книге пишет: «Соберем теперь вместе те факты, которые достаточно проверены опытом, не заботясь больше о проблеме эфира:

1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна независимо от движения источника или приемника света;

2) в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение…

Первое положение выражает постоянство скорости света, второе обобщает принцип относительности Г. Галилея, сформулированный для механических явлений, на все происходящее в природе»[7]7
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965. С. 145–146.


[Закрыть]. А. Эйнштейн отмечает, что принятие этих двух принципов и отказ от принципа галилеевского преобразования, т. к. он противоречит постоянству скорости света, и положили начало специальной теории относительности. К принятым двум принципам (постоянства скорости света и эквивалентности всех инерциальных систем отсчета) А. Эйнштейн добавляет принцип инвариантности всех законов природы по отношению к преобразованиям Г. Лоренца. Поэтому во всех инерциальных системах справедливы те же самые законы, а переход от одной системы к другой дается преобразованиями Г. Лоренца. Это значит, что ритм движущихся часов и длина движущихся стержней зависят от скорости: стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света, а ритм движущихся часов замедлится, часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света.

Так из физики были элиминированы ньютоновское абсолютное время, пространство, движение, которые были как бы независимы от движущихся тел и их состояния.

5. Общая теория относительности

В цитируемой уже книге А. Эйнштейн спрашивает: «Можем ли сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливы для всех систем координат, не только для систем, движущихся прямолинейно и равномерно, но и для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу?»[8]8
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965. С. 176.


[Закрыть]. И отвечает: «Это оказывается возможным»[9]9
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965. С. 176.


[Закрыть].

Потеряв в специальной теории относительности свою «независимость» от движущихся тел и друг от друга, пространство и время как бы «нашли» друг друга в едином пространственно-временном четырехмерном континууме. Автор континуума математик Герман Минковский опубликовал в 1908 г. работу «Основания теории электромагнитных процессов», в которой утверждал, что отныне пространство само по себе и время само по себе должны быть низведены до роли теней и только некоторый вид соединения обоих должен по-прежнему сохранять самостоятельность. Идея А. Эйнштейна и состояла в том, чтобы представить все физические законы как свойства этого континуума, как его метрику. С этой новой позиции А. Эйнштейн рассмотрел закон тяготения И. Ньютона. Вместо силы тяготения он стал оперировать полем тяготения. Поля тяготения были включены в пространственно-временной континуум как его «искривление». Метрика континуума стала неевклидовой, «римановской» метрикой. «Кривизна» континуума стала рассматриваться как результат распределения движущихся в нем масс. Новая теория объяснила не согласующуюся с ньютоновским законом тяготения траекторию вращения Меркурия вокруг Солнца, а также отклонения луча звездного света, проходящего вблизи Солнца.

Так из физики было элиминировано понятие «инерциальной системы координат» и обосновано утверждение обобщенного принципа относительности: любая система координат является одинаково пригодной для описания явлений природы.