Физические картины мира

Структура физических знаний

Современная физическая картина мира

По насмешливому высказыванию Э. Резерфорда, «… все науки можно разделить на 2 группы – физику и коллекционирование марок». Этим он подчеркивал всеобъемлющий характер физических знаний и высокий уровень теоретизации физики. Но эти достоинства физики делают крайне сложной структуризацию физических знаний.

По изучаемым объектам физика делится на: физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела и физику плазмы.

По изучаемым процессам (формам движения материи) выделяют: механику материальной точки и твердого тела, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля.

По целям исследования выделяют теоретическую и прикладную физику.

Особо в физике выделяют учение о колебаниях и волнах.

Физическая картина, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого времени не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания.

Ключевым в физической картине мира служит понятие «материя», на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходит 2 раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены со­временными квантовыми. Поэтому можно говорить о 3 последовательно сменивших друг друга физических картинах мира:

1. Механическая картина мира - складывается в результате научной революции XVI - XVII вв. на основе работ Галилея, Гассенди, Декарта и Ньютона. Основу механической картины мира составлял атомизм. Мир - это совокупность огромного числа неделимых частиц - атомов, перемещающихся в пространстве и времени. Ключевым понятием механической картины мира было движение. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мировоззрения. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение.

Напомню, что Ньютон предложил принцип дальнодействия: взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников. Этот принцип дальнодействия тесно связан с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон, напомню, предложил концепцию абсолютного пространства и времени. Пространство представлялось большим «черным ящиком», вмещающим все тела в мире. Если бы эти тела вдруг исчезли, пространство всё равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и время, также существующее абсолютно независимо от материи.

В механической картине мира любые события жестко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась из картины мира.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Поэтому присутствие человека в мире не меняло ничего.

Постепенно в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механической картине мира. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира.

2. Электромагнитная картина мира. В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений Фарадей пришел к мысли замены корпускулярных представлений о материи континуальными. Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл (Фарадей: электромагнитное поле сплошь непрерывно; электрические заряды в нем являются точечными силовыми центрами). Это меняло взгляды на материю кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи; в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.

Движение понималось не только как простое механическое перемещение. Первичным по отношению к механическому движению становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось законами электродинамики (а не механики).

Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями, т.е. понятие пространства и времени становится реляционным (относительным).

Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия: любые взаимодействия передаются от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Случайность по-прежнему пытались исключить из физической картины мира. Но создание кинетической теории газов ввело понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о человеке, жизни и разуме.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения механической картины мира. Однако и здесь вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Некоторые факты вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: фотоэффект, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречия между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Именно так появилась ОТО (общая теория относительности), ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. Но даже создание этой теории уже не могло спасти электромагнитную картину мира.

Итак, в начале XX в. возникли 2 несовместимых представления о материи:

1. или она абсолютно непрерывна;

2. или состоит из дискретных частиц.

Физики предпринимали многочисленные попытки совместить эти две точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными.

3. Современная (квантовая) физическая картина мира.

В 1913 г. Бор предложил свою модель атома. Он предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики, не излучает энергии. Он излучает её порциями, лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. Эта модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частицы определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присуще и свойство волны (непрерывность), и дискретность (квантовость). Эти представления нашли подтверждение в работах Шредингера и Гейзенберга (1925 - 1927 гг.), а вскоре Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.

Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы.

Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость.

В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Изменяется представление о движении. Движение становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Различается 4 вида взаимодействия гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме.

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и сливаются в едином четырехмер­ном пространственно-временном континууме.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятной форме, в виде так называемых статистических законов.

Квантово-полевая картина мира впервые включает в себя наблюдателя, от присутствия которого зависит получаемая картина мира. Более того, сегодня считается, что наш мир таков, как он есть, только благодаря существованию человека, появление которого стало закономерным этапом эволюции Вселенной.

Дата добавления: 2014-12-07