Период новейшей революции в естествознании

Четвертый период – период новейшей революции в естествознании начался с приходом ХХ века. Были сделаны три великих открытия и созданы две принципиально новые фундаментальные теории. Это привело к столь стремительному развитию естествознания, что позволяет говорить о революции в нем.

Три великих открытия:

1) доказана делимость атома и его ядра;

2) установлена квантуемость энергии;

3) обнаружен корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц.

Две принципиально новые теории:

1. Квантовая (волновая) механика, описывающая поведение микрочастиц (микрообъектов). Оказалось, что микрочастицы ввиду их двойственной корпускулярно-волновой природы не могут быть описаны законами классической механики Ньютона.

2. Теория относительности. Представления о пространстве и времени претерпели существенные изменения в теории относительности, принципы которой сформулировал А. Эйнштейн.

До конца XIX века считалось, что атом – неделимая частица, а энергия телами излучается непрерывно. В начале ХХ века коренным образом изменились взгляды на энергию, свет и все микрочастицы.

Выдающиеся открытия в физике и химии на рубеже XIX – XX веков позволили установить, что атом является сложной микросистемой, состоящей из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов, составляющих в совокупности его электронную оболочку. К числу этих открытий относятся:

– открытие катодных лучей (поток отрицательно заряженных частиц);

– открытие явления термоэмиссии (испускание металлами отрицательно заряженных частиц (электронов) при нагревании);

– открытие явления фотоэффекта (испускание веществами под действием света или другого электромагнитного излучения отрицательно заряженных частиц);

– открытие радиоактивного излучения (α-, β-, γ-лучей);

– результаты опытов Резерфорда с α-частицами.

Радиусы атомов имеют величину порядка 10^–10 м (0,1 нм), масса атомов порядка 10^–25 …10^–27 кг. Согласно опытам Резерфорда почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, радиус которого составляет около 10^–14 м. Заряд электрона равен 1,602·10^–19 Кл и принят за единицу элементарного электрического заряда. Масса электрона равна 9,1·10^–31 кг. Число электронов в атомах равно положительному заряду ядра, выраженному в единицах элементарного заряда и, таким образом, атом электронейтрален.

В начале XX века была доказана делимость ядра атома, после открытия Гейзенбергом и Иваненко нейтрона.

Предположение о квантовании энергии впервые высказал немецкий физик Планк в 1900 году. Гипотеза Планка такова: «Излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой излучения».

Е = hν, (2)

где h – постоянная Планка, h = 6,62·10-34 Дж·с, а ν- частота излучения, Гц. Позднее в 1905 году А. Эйнштейн создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света, но и его распространение происходит в виде световых квантов, которые он назвал фотонами. Энергия фотонов определяется по формуле Планка, а масса по формуле Эйнштейна

Е = mc ², (3)

где m – масса фотона, а с – скорость света. Приравняем правые части равенств (2) и (3):

mc ²= hν и (4)

Из (4) следует, что m фотона и ν света взаимосвязаны: m – характеризует фотон как частицу, а ν – как волну. Стало ясно, что свет (поток фотонов) имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного), то есть единство дискретности и непрерывности. Впервые двойственная природа микрообъектов была установлена для света.

Третье великое открытие принадлежит французскому ученому Луи де Бройлю (1892–1987). Он, учитывая существующую в природе симметрию и корпускулярно-волновую природу света, в 1923 году (ему был 31 год) выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: «Не только фотоны, но и электроны и любые другие микрочастицы, наряду с корпускулярными, обладают волновыми свойствами».

Из ур. (4), учитывая, что

, (5)

где λ – длина волны. Подстановкой (5) в (4) получаем:

. (6)

Заменив «с», скорость фотона, на «υ» – скорость любой материальной частицы, получаем знаменитое соотношение Луи де Бройля:

, (7)

согласно которому любой частице массой m, движущейся со скоростью υ присущ волновой процесс с длиной волны λ.

Волновые свойства частиц могут не учитываться лишь в тех случаях, когда их масса достаточно велика, а, следовательно, мала длина волны. Например, у электрона m = 9,1·10^–31 кг, скорость порядка 10⁶ м/с. Подсчитанная по соотношению де Бройля длина волны имеет порядок 10^–10 м и соизмерима с размерами атома. Поэтому наряду с корпускулярными свойствами электрона должны учитываться и его волновые свойства. Экспериментальным подтверждением волнового характера электрона явилась дифракция электронного луча, которую наблюдали в 1927 году американские, английские и русские физики. Роль дифракционной решетки выполняли кристаллы. При движении макрочастиц возникает волна столь малой волны (<10^–29 м), что экспериментально обнаружить волновой процесс не удается. В природе не существует дифракционных решеток подобных размеров.

В дальнейшем двойственная природа была экспериментально установлена для нейтронов, атомных и молекулярных пучков. Причем исследования показали, что волновые свойства микрочастиц не являются следствием их совместного присутствия, а присущи каждой частице в отдельности. В настоящее время корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов общепризнан.

Двойственная природа микрообъектов обуславливает неопределенность их положения в пространстве. Это вытекает из принципа неопределенности (соотношения неопределенностей), установленного В. Гейзенбергом в 1927 году: «Невозможно одновременно точно определить скорость (υ) и местоположение микрочастицы (ее координаты, х)». Математически выражение принципа неопределенности имеет вид:

, где ;

Δυ_х – ошибка при определении составляющей скорости в направлении координаты х;

Δ х – ошибка при определении координаты частицы (местоположения). Например, если для электрона Δ х =10^–10 м, то Δυ_х>10¹⁰ м/с при скорости электрона порядка 10⁶ м/с.

Для макрочастицы величина соотношения очень мало. Поэтому для них справедливы законы классической механики, а скорость и положение частиц можно определить с весьма высокой точностью.

Принцип неопределенности нужно понимать не как невозможность точно измерить малые величины, а как реальное свойство движущихся объектов, траектория которых не представляет собой прямую или плавно искривленную линию, а заменяется совокупностью возможных разновероятных положений микрочастицы и может быть описана уравнениями волновой механики. Квантовая механика заменяет классическое понятие точного нахождения частицы понятием статистической вероятности ее нахождения в заданном элементе объема d V.

Основные положения квантовой или волновой механики были разработаны в 20-е…30-е годы прошлого века в работах, прежде всего, австрийского физика Э. Шредингера, немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.

Важную роль в развитии естествознании сыграл принцип относительности, высказанный впервые еще Г. Галилеем. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. В каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно. Таким образом, механическое движение относительно и его характер зависит от системы отсчета. Инерциальная система отсчета – это любая материальная система, занимающая ограниченную область пространства, которую в данных условиях можно считать изолированной (замкнутой). Сущность механического принципа относительности Галилея: «во всех инерциальных системах отсчета законы механического движения одинаковы (инвариантны, неизменны) и не изменяются при переходе от одной инерциальной системы к другой». А. Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его в специальной теории относительности (1905 г.), представляющей собой современную физическую теорию пространства и времени.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство-время на основе постулата о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел (3·10⁸ м/с) и принципа относительности. Из данной теории следует:

1) относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства;

2) относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга.

Таким образом, для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.

Общая теория относительности – результат развития специальной теории относительности. Ее иногда называют теорией тяготения. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области Вселенной определяются действующими в ней полями тяготения. Например, при переходе к космическим масштабам изменяется геометрия пространства-времени, наблюдается гравитационное замедление времени.

Более подробно о теории относительности будет сказано позже.

5. Современная естественнонаучная картина мира

Отличительной особенностью современной ЕНКМ является принцип глобального (всеобщего) эволюционизма: «материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития». Идея эволюции зародилась еще в XIX веке. Ее прародителем следует считать биологию (теория Дарвина). Потребовалось более ста лет, чтобы она утвердилась во всех областях Е. (физике, химии, геологии и др.).

Движущие силы эволюции любых объектов материального мира описывает новое междисциплинарное научное направление синергетика. Оно появилось в 70-е года XX века. Синергетика – это учение о самоорганизации открытых диссипативных систем. Рассмотрим ее основные понятия.

Дата добавления: 2014-01-07