Современное естествознание и научное мышление

Прошедшее столетие ознаменовалось не только революционными достижениями в науке о природе, но и радикальным сломом нашего представления об окружающем нас мире. Аналогия этому революционному переходу в человеческом представлении о Вселенной может быть найдена во времени, когда на смену геоцентрической системе Птоломея пришла гелиоцентрическая система Коперника. Это было время перехода от землевладельческой цивилизации европейского средневековья к городской буржуазной цивилизации. Архаика деревенского восприятия мира с границами, совпадающими с линией горизонта, уступила место (время великих географических открытий) представлению о мире как о пространстве, не имеющем границ. Но Вселенная все ещё воспринималась как производная от Вселенского создателя (Бога) и поэтому естественно, что должны были существовать выделенная абсолютная система и абсолютное время, связанное с этой системой. Основоположник научно обоснованной (исходящей не из чувственного восприятия, а из данных опыта) системы мира Ньютон обосновывал наличие абсолютной системы координат за счёт существования инерциальных сил в ускоренных (неинерциальных) системах.

Первым, кто указал на некорректность утверждения Ньютона, был Эрнст Мах, который справедливо заметил, что такие утверждения далеко выходят за пределы возможного эксперимента. В своём критическом обзоре механики Ньютона он проанализировал ньютоновские понятия и разобрал их логическую основу. Он исходил из идеи, что механический опыт никогда не может дать сведений об абсолютном пространстве. Только относительные положения и относительные движения могут быть проверены, а следовательно, лишь они физически реальны. Мах обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которому правомерными могут считаться лишь доступные проверке факты. В рассуждениях Маха уже не было места Богу.

Окончательное выражение взгляда постиндустриального человечества на мир как на постоянно развивающуюся материальную субстанцию, бесконечную в своих проявлениях, нашло себя в механике специальной и общей теории относительности. Революционные открытия во всех областях естествознания, давшие толчок новым технологиям, сделали науку одним из локомотивов процесса развития человеческой цивилизации. Сегодняшнее научное мышление базируется на трёх принципах.

Первый принцип – принцип объективизации, который преследует цель сделать наблюдения настолько независимыми от индивидуальности наблюдателя, насколько это возможно. Наши приборы становятся всё более изощренными и чувствительными, а их показания всё меньше зависят от наших органов чувств.

Второй принцип- принцип релятивизации, т. е. сведения к относительному. Этот принцип утверждает, что не существует выделенных абсолютных точек или направлений в пространстве и во времени. Впервые этот принцип был осознан (введён в практику) людьми при переходе от представления плоской Земли к Земле шарообразной. Галилей и Ньютон распространили действие этого принципа на все системы, движущиеся относительно друг друга равномерно и прямолинейно. Эйнштейн обобщил этот принцип на равноускоренные системы.

Третий принцип является в какой-то мере обобщением первых двух. Он гласит, что любое наше знание является лишь проекцией истинных взаимосвязей вещей в природе на наше сознание, данной нам через чувственные ощущения. Насколько верно осознана нами эта материальная сущность, определяется возможностями проверить и использовать вытекающие из этого осознания практические следствия. Верно то, что может быть проверено в ходе эксперимента. С этой точки зрения рассматриваемый принцип может быть назван принципом эмпиризма.

Он коренным образом отличается от принципа Веры: Верую, так как непостижимо.

1.3. Вероятность и неопределённость – квантовомеханический взгляд на природу

20^е столетие по праву считается столетием революционных изменений, происшедших во всех сферах человеческой деятельности будь-то социология или естественные науки. В последних революция ознаменовалась сменой детерминистского механистического представления окружающего мира на вероятностное квантово-релятивистское. В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. В ней, предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями –квантами с энергией hn, Планк получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

, (1.1)

где h –постоянная Планка, к – постоянная Больцмана, Т –абсолютная температура, n -частота излучения. По современным данным

h= 6,626176(36)·10^-27 эрг·с

_______________________________________________________________________________________

Закон распределения Планка для излучения абсолютно чёрного тела

Плотность энергии в интервале dn при частоте n: dU(n)=r(n)dn,

. (1.2)

Закон Рэлея-Джинса (низкочастотный предел распределения Планка)

, hn << kT. (1.3)

Закон Вина (высокочастотный предел распределения Планка)

, hn >> kT. (1.4)

Закон Стефана-Больцмана (полная плотность энергии)

. (1.5)

Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречила основам классической физики и определила границы применимости последней. Сам Планк полагал, что квантовые свойства света проявляются только в актах излучения и поглощения. Распространение же света в пространстве, по его воззрениям, происходит непрерывно и описывается классическими уравнениями Максвелла.

В 1905 г. Эйнштейн, развивая идею Планка, предположил, что не только энергия поглощается и излучается квантами, но и электромагнитное излучение в действительности состоит из частиц с энергией hn, которые двигаются со скоростью с и называются теперь фотонами или световыми квантами. С помощью такой гипотезы он сразу же смог объяснить фотоэффект.

Так как релятивистская энергия свободной частицы равна

и так как для фотона v=c, то масса покоя фотона должна равняться нулю. Тогда из соотношения E²=m²c⁴ + p²c² следует, что E=pc, т. е. импульс фотона равен hn/с.

Фотоэлектрический эффект-это процесс поглощения атомов фотона с последующим испусканием электрона с одной из своих оболочек.

При этом электрон приобретает кинетическую энергию T_e,равную T_e=E_g - I,

где E_g-энергия g-кванта, а I -потенциал ионизации.

Процесс фотоэффекта невозможен на свободном электроне.

Действительно, в этом случае

; Из этих уравнений следует, что, с одной стороны, , а с другой .

Отсюда получается, что .

Это уравнение удовлетворяется при условии b=0 и b=1.

Первое условие тривиально: T_e=E_g=0. Второе условие не имеет физического смысла.

Поэтому для фотоэффекта весьма существенна связь электрона с атомом, которому передаётся часть импульса фотона. Чем меньше связь электрона с атомом по сравнению с энергией фотона, тем меньше вероятность фотоэффекта. Энергия электрона возрастает с уменьшением длины волны. В то же время энергия никак не зависит от интенсивности, т. е. от числа падающих фотонов; однако число вырываемых электронов пропорционально интенсивности излучения.

Последний результат объясняет другое явление эффект Комптона. Согласно классической электродинамике, следовало бы ожидать, что при рассеянии рентгеновских лучей достаточно высокой энергии на электронах атомов лёгкого элемента рассеянные и падающие лучи должны иметь одинаковую длину волны. В действительности же экспериментально было найдено, что длина волны рассеянных лучей больше и что разность волн рассеянного и падающего излучения возрастает с увеличением угла рассеяния. Комптон-эффект (см. рис. 1.1) получает вполне удовлетворительное объяснение, если предположить, что электрон соударяется с частицей, имеющей энергию hn и импульс hn/с, и записать затем уравнения сохранения энергии- импульса. Комптоновское рассеяние наглядно демонстрирует корпускулярную природу электромагнитного излучения.

Это не было простым возвратом к ньютоновской корпускулярной теории света. Нельзя смотреть на фотоны как на обычные частицы света, аналогичные материальным точечным телам классической механики и движущимся по определённым траекториям в пространстве. Это видно уже из того, что фотонам свойственна интерференция и дифракция. Они обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Такая особенность фотонов называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Дата добавления: 2014-01-14