Естествознания

Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского. Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения.

Классическая физика и соответствующее ей классическое естествознание завершились созданием термодинамики. На очереди стояли учения об электричестве и магнетизме, которые, казалось, должны были получить понимание в рамках традиционного классического мировоззрения. Однако этому не суждено было сбыться. Познание тайн электромагнетизма привело к началу нового этапа в физике, во всем естествознании и во всей науке — привело к этапу неклассической рациональности.

Новая рациональность начиналась еще в недрах классической рациональности фактически так. В 18 веке французом Шарлем Кулоном (1736-1806) был открыт знаменитый закон взаимодействия точечных электрических зарядов — закон Кулона:, где q1, q2 — электрические заряды, r — расстояние между зарядами, k -коэффициент пропорциональности, определяемый выбором единиц измерения величин зарядов и расстояния. Закон Кулона, как видим, фактически совпадает, по виду и форме, с законом всемирного тяготения Ньютона, и это позволяло физикам многие годы думать, что электрическое взаимодействие сводимо к гравитационному тяготению. Но это было кажущееся совпадение. Экспериментальные исследования Гальвани (1737-1798) и Вольта(1745-1827) показали тесную связь электрических, химических (и даже биологических) явлений. Вопрос об отношении электричества и магнетизма оставался запутанным до открытия Эрстеда (1777-1851) в 1820 году, когда он случайно, в ходе лекционного демонстрационного эксперимента, обнаружил влияние, оказываемое электрическим током, пропускаемым по проволоке, на компас, оказавшийся вблизи от проволоки. С 1820 года интенсивной разработкой первой теории электромагнетизма — электродинамики, занялся французский ученый Ампер (1775-1836). Теория Ампера была создана по образу и духу «Начал» Ньютона, что позволило англичанину Джеймсу Максвеллу назвать французского ученого «Ньютоном электричества».

Однако последовательную, единственно признаваемую и сегодня, теорию электромагнитных явлений удалось построить лишь самому Максвеллу, который взял за основу в электромагнетизме идею о поле, выдвинутую впервые великим физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791-1867), который благодаря своим опытам доказал также тождественность различных видов электричества. Установленные Фарадеем законы электролиза доказывали выдающийся факт природы — дискретность электрического заряда. Начиная с 30-х годов 19 столетия, у Фарадея, под влиянием проводимых им экспериментов, начинает формироваться идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием не только в физике, но во всей классической науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда еще не подозревал, что электромагнетизм, эксперименты Фарадея и теория Максвелла дали начало новому этапу науки — неклассическому).

Ученым, который осознал глубину и оригинальность представлений Фарадея о поле на примере электромагнитного поля, стал именно Джеймс Максвелл (1831-1867). В 1865 году Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он вывел математические уравнения теории поля — уравнения Максвелла. Одним из самых поразительных выводов электромагнитной теории Максвелла было указание на возможность распространения электромагнитных волн со скоростью света. Вывод Максвелла о том, что свет — электромагнитные волны, по праву считается вершиной его исследований в области электромагнетизма. Электромагнитная теория волн и поля позволяет наилучшим образом объяснить все явления, связанные со светом.

Есть одно замечательное явление в природе, которое сопровождает человека практически непрерывно да и, вероятно, обуславливает существование самого человека — это свет. Измерить скорость света пытались многие. Авиценна (ибн-Сина): скорость хотя и весьма велика, но ограничена. Безуспешная попытка измерения скорости света сделал еще великий Галилей. Альберт Майкелъсон определил скорость света около 300 000 тыс. км/с). Но он считал, что скорость света разная в разная направлениях относительно Земли. Для света не выполняется принцип сложения скоростей классической механики, скорость света не зависит от скорости движения источника света (еду на велосипеде с фонариком).

Разрешить эту, на первый взгляд, неразрешимую проблему смог в 1905 году великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, создавший для этого специальную теорию относительности (СТО) или так называемую релятивистскую механику, заменившую для быстрых, околосветовых скоростей классическую механику. В основу новой теории движения и пространства-времени Эйнштейном были положены два постулата:

1) Релятивистский принцип относительности — в любых инерциальных системах все физические процессы — механические, оптические электрические и другие — протекают одинаково,

2) Принцип постоянства скорости света — скорость света в вакууме не зависит от скоростей движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах отсчета.

Новый вид и новую сущность приобретает теорема сложения скоростей v₁ и v₂; если в ньютоновой механике ее вид был v = v₁ + v₂, то в эйнштейновой он таков:

v = (v₁+v₂)/(1+v₁v₂/c².

Видно, что если подставить в эту формулу самые предельные скорости с, то V будет равно с! Во всех остальных случаях v меньше с.

Таким образом, в этой новой теории пространства и времени утрачивают свою физическую абсолютность: традиционное евклидово (пифагорейское) расстояние, ньютоново время, ньютонова масса, ее импульс, энергия (но законы сохранения этих величин не нарушаются!). Оказалось, что ничто материальное, т. е имеющее массу, не может достичь скорости света! В Эйнштейновой релятивистской механике появилась самая знаменитая формула в мире, кстати, высеченная на надгробии Альберту Эйнштейну в Принстоне. Это формула для энергии массы m, известная практически всякому грамотному человеку, а именно, Е = mс². Это вовсе не энергия движения массы m, поскольку, повторим, никакая масса не может достичь скорости света с, это некая запасенная энергия этой массой, характеризующая ее потенциальные энергетические возможности. Эйнштейн доказал их физическую взаимосвязь математически, т. е. количественно, в общей теории относительности.

Специальная теория относительности Эйнштейна внесла революционные изменения в ряд фундаментальных понятий прежней классической физики: пространства, времени, размера (протяженности) тел, массы. Оказалось, что время не является абсолютной величиной, оно зависит от системы отсчета, более того, пространственные координаты неразрывно связаны со временем, образуя пространственно-временное многообразие. Продольные размеры движущегося тела всегда меньше покоящегося. Движущиеся часы идут медленнее покоящихся часов. События, одновременные в одной системе отсчета, никогда не будут одновременными в любой другой системе. Одновременность — понятие относительное. Масса движущегося тела всегда больше массы покоя.

При скоростях, близких у скорости света, скорость течения времени уменьшается (оно течет медленнее, для космонавтов, летящих на быстром аппарате, пройдет меньше времени чем для людей на земле).

Концепции постнеклассического естествознания и теорий самоорганизации. Диссипативные структуры. Механизмы потери устойчивости структур, катастрофы, бифуркации, математическая теория катастроф и прогнозы будущего.

Возникновение и становление концепций постнеклассического

Важным аспектом совершенствования методологии познания является всесторонний анализ проблемного поля современной науки. До сегодняшних дней господствующая научная картина мира по существу распадалась на три части (неорганическую, органическую и социальную), в которой процессы самодвижения, самоорганизации имели место, но с точки зрения общего эволюционизма они не были объединены.

Прорыв в понимании того, как инертная материя может приобретать свойства самоорганизации, произошел в последней четверти XX века и, естественно, вызвал взрыв интереса к попыткам построения единой теории самоорганизации материи. Интерес этот еще более возрос, когда физики и математики ввели в научный оборот и теоретически обосновали кардинальные концепции и понятия теорий самоорганизации материи — диссипативные структуры (Пригожин), синергетику (Хакен), теорию катастроф (Том, Арнольд), теорию автопоэза или теорию Сантьяго (Матурана, Варела) и др. Многие понятия теорий самоорганизации стали переосмысливаться в новой единой постнеклассической картине мира, в которой магистральная эволюция непротиворечивым образом объединяет и то, как материя движется, и то, как она мыслит. Абстрактная формулировка идеи всеобщего эволюционизма (от Аристотеля до Пригожина и Моисеева) сменилась на научно оформленную теорию в результате ассимиляции этой идеи физикой (эволюционирующие космогонические модели Вселенной, особо термодинамических процессов), химией (каталитические системы, элементарные каталитические системы А. Руденко), биологией (биогенез, синтетическая теория эволюции, несводимость макроэволюции к микроэволюционным изменениям), социологией (тектология А. Богданова).

Разработка теоретического механизма всеобщего (глобального) эволюционизма осуществлялась после закрепления в естественных науках синергетического подхода (Хакен; Князева; Курдюмов; Моисеев) и идей теории дис-сипативных структур (Пригожин). Хотя специфика картины мира допускает многоголосие средств выражения идеи всеобщего развития, но язык диссипативных структур и синергетического (корпоративного) эффекта наиболее адекватно описывает процессы самоорганизации, самосозидания (автопоэза) и самодвижения. Таким образом, в рамках эволюционно-синер-гетического диссилативно-структурного подходов самоорганизация предстает как одна из форм организации материи. При этом определяются, с одной стороны, равновесные формы организации, отличающиеся от самоорганизации, а с другой — под «крышей» указанных подходов объединяются в особый класс — нелинейно-динамический, практически все физические, химические ибиологические структуры, которые ранее принципиально не сводились вместе. Мир полон мифов линейного, классического мышления. Так, вплоть до настоящего времени многих пугал и продолжает путать хаос, ибо хаос представляется сугубо деструктивным началом мира. Случайность всегда тщательно изгонялась из научных теорий. Она считалась со времен классической эпохи науки второстепенным, побочным, не имеющим принципиального значения фактором.

Существовало убеждение, что случайности никак не сказываются, забываются, стираются, не оставляют следа в общем течении событий природы, науки, культуры. А мир, в котором мы живем, рассматривался как не зависящий не только от микрофлуктуаций на нижележащих уровнях бытия, но также и не зависящим от малых влияний космоса.

Картина мира, рисуемая классическим разумом (классической наукой) — это мир жестко причинно-следственных связей, согласно которым результат внешнего управляющего воздействия есть однозначное, линейное, предсказуемое воздействие. Чем больше вкладываешь, например, энергии, тем больше будто бы должна быть и отдача, следствие прямо или линейно пропорционально причине.

Еще один из господствующих по сей день мифов линейного (классического) мышления — это представление о том, что процессы бурного роста (например, возрастания народонаселения земного шара, рост научного знания, «экономическое чудо») происходят по экспоненциальной зависимости, т. е. предполагался весьма и весьма быстрый рост. На самом деле, большинство процессов лавинообразного роста происходят даже не по экспоненте, а в так называемом режиме с обострением, когда рассматриваемые величины, хотя бы часть времени, изменяются по закону неограниченного возрастания за конечное время.

Выдающийся современный мыслитель Илья Пригожин приложил немало усилий к тому, чтобы включить в парадигму современного научного сознания концепции, известные как

«самоорганизация», или «возникновение порядка из хаоса». Самоорганизация — этопроцесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Система называется самоорганизующейся, если она стремится сохранить свои свойства и природу протекающих процессов за счет структурных изменений.

Класс систем, способных к самоорганизации, — это открытые, нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом, информацией и энергией с окружающей средой.

Открытость системы — необходимое, но не достаточное условие для ее самоорганизации: то есть всякая самоорганизующуюся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимодействия двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего (диссипирующего), размывающего неоднородности, т. е. начал самой различной природы. Обсудим некоторые детали и механизмы возникновения сложноорга-низованных систем и структур.

Дата добавления: 2014-12-25