Зарипова Концепции

возникновения всех этих новых идей является грандиозный хозяйственный переворот. Великое свое творение Коперник изложил в книге "Об обращениях небесных сфер", появление которой относится к 1543 г., т. е. к году смерти Коперника, и составляет результат многолетних его работ. Геоцентрическая система Птолемея с течением времени усложнялась, ибо повышенные требования к точности астрономических вычислений делали необходимым увеличение количества дополнительных окружностей (эпициклов, деферентов), чтобы согласовать систему с Землей в центре и вращающимися вокруг нее по окружностям планетами с наблюдаемыми движениями этих планет. Ко времени Коперника число деферентов и эпициклов возросло до 56 и имело тенденцию расти дальше. Уже в античности многие мыслители не были удовлетворены такой сложной "неестественной" конструкцией. Один из них (Прокл) считал, что эпициклы — всего лишь умственные построения, созданные для "спасения явлений", и что пути планет на самом деле являются сложными и неравномерными, другие (Симпли-ций) вообще полагали, что сложные пути планет — всего лишь видимость, что за ней находится некая непознанная глубинная сущность.

Вместе с тем громоздкость птолемеевской системы не позволяла давать точных данных о движении Солнца и Луны, а это в свою очередь тормозило реформу юлианского календаря. Вселенная Птолемея значительно упростилась бы, если принять, что в центре

еенаходится не Земля, а Солнце. Чтобы произвести такой революционный шаг, понадобился гениальный ум Николая Коперника, создавшего гелиоцентрическую систему мира. В ее основе лежали следующие утверждения:

1.В центре мира находится Солнце

2.Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении и вращаются вокруг одного из своих диаметров.

3.Это движение происходит по круговым орбитам.

4.Оно является равномерным, т. е. скорости движения планет по круговым орбитам постоянны.

Впервые Коперник дал правильный план строения Солнечной системы, установив

ееотносительные масштабы. Приняв за единицу измерений расстояние от Земли до Солнца, он нашел, что расстояния от Солнца до Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна равны соответственно 0,376, 0,723, 1,52, 5,217 и 9,184. За исключением последней, эти цифры почти не отличаются от современных. Учение Коперника произвело настоящую революцию не только в астрономии, но и во всем человеческом мировоззрении. Коперник стер грань между "земным" и "небесным".

Последующие шаги в создании новой картины мира были сделаны Г. Галилеем и К. Кеплером, оба они были убежденными сторонниками учения Н. Коперника. Галилей впервые использовал подзорную трубу собственной конструкции для астрономических наблюдений, открыв горы на Луне, т. е. открыв, что Луна имеет не идеальную форму шара, присущую якобы лишь телам "небесной природы", а имеет вполне "земную" природу. Таким образом, была поколеблена идея, идущая еще от Аристотеля, о принципиальном различии между "совершенными" небесными телами и несовершенными земными. Другие его астрономические открытия: открытие четырех спутников Юпитера (1610 г.), обнаружение фаз Венеры, наличие пятен на Солнце — имели огромное мировоззренческое значение, подтверждающее материальное единство мира. Наглядно

21

было показано, что Земля не является единственным центром, вокруг которого должны обращаться все тела. Это было важным доказательством в пользу системы мира Н. Коперника.

При ее разработке Коперник исходил из предположения, что Земля и планеты обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам. Поэтому, чтобы объяснить сложное движение планет по эклиптике, ему пришлось ввести в свою систему 48 эпициклов. И лишь благодаря усилиям И. Кеплера система мира Коперника приобрела простой и стройный вид. Кеплер совершил следующий шаг — открыл эллиптическую форму орбит и законы, по которым планеты движутся вокруг Солнца. Первые два кеплеровских закона были опубликованы в 1609 г., третий — в 1619 г. Наиболее важным для понимания общего устройства Солнечной системы был первый закон, утверждавший, что планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а Солнце находится в фокусе одного из этих эллипсов. В свое время греки предполагали, что все небесные тела должны двигаться по кругу, потому что круг — самая совершенная из всех кривых. Хотя греки знали много вещей об эллипсах и тщательно изучили их математические свойства, им никогда не приходило в голову, что, возможно, небесные тела движутся как-то иначе, нежели по кругам или сложным сочетаниям кругов. Кеплер первым отважился высказать такую идею. Однако три его закона имеют решающее значение в истории науки прежде всего потому, что они способствовали доказательству закона тяготения Ньютона.

Другим выдающимся последователем Н. Коперника, старшим современником Галилея и Кеплера был Джордано Бруно. Он выдвинул идею множественности миров, которую можно трактовать как принцип эквивалентности разных мест во Вселенной, имеющей фундаментальное методологическое значение и в современной космологии. Основная идея натурфилософии Д. Бруно — бесконечность и однородность Вселенной и неисчислимость миров — звезд, тождественных по своей природе с Солнцем. У Бруно не только Земля, но и Солнце перестает быть центром Вселенной, последняя вообще не имеет центра. Он также допустил возможность существования внеземных цивилизаций.

Формирование механической картины мира (МКМ)

Начало формирования классической механики принято связывать с именем итальянского ученого Г.Галилея (1564-1642). Он впервые перешел от натурфилософского рассмотрения природных явлений к научно-теоретическому. Галилей разработал и применил новые методы получения строгого и достоверного знания: научный эксперимент и математизацию.

Основные достижения Галилея в области классической физики следующие:

1.установил основополагающий принцип – принцип инерции. По Галилею,

движение – собственное и основное, естественное состояние тел..Трение и действие других внешних сил могут остановить движение.

2.Второе достижениесформулировка принципа относительности движения.

Согласно этому принципу, внутри движущейся равномерно системы все механические процессы происходят точно так, как если бы система (тело) покоилось.

3.Формулировка закона свободного падения тел.

Неоценимое значение для развития естествознания имело также открытие законов движения планет И. Кеплером. Оно свидетельствовало, во-первых, о том, что между

22

движениями земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку все они подчиняются определенным естественным законам, во-вторых, сам путь открытия законов движения небесных тел в принципе отличается от открытия законов земных тел. Правда, из-за невозможности осуществления экспериментов с небесными телами для исследования законов их движения пришлось обратиться к наблюдениям. Тем не менее, здесь исследование осуществлялось в тесном взаимодействии теории и наблюдения, тщательной проверке выдвигаемых гипотез измерениями движений небесных тел.

Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям:

1.обобщение полученных ранее результатов и прежде всего законов движения свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером;

2.создание методов для количественного анализа механического движения в целом.

И. Ньютон (1643-1727), как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, использованию математики в качестве инструмента точного исследования. Развивая и углубляя исследования Галилея, он сформулировал три закона механики.

Первый закон - инерции:

Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или

равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Второй основной закон или закон ускорения занимает в механике центральное

место:

Ускорение движущегося тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела, и совпадает по направлению с действующей силой.

Третий закон механики:

Действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Выдающейся заслугой Ньютона было открытие закона всемирного тяготения

Две любые материальные частицы с массами притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату их расстояния.

И.Ньютоном были выработаны также своеобразные представления о пространстве и времени.

Ньютон различал абсолютное и относительное время.

«Абсолютное, истинно математическое время само по себе и по своей сущности без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Время абсолютное однородно, равномерно, непрерывно и обратимо.

Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни: час, день, месяц, год…

23

Течение абсолютного времени изменяться не может. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего сущего».

Концепция пространства также прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе твердых физических тел, занимающих определенный объем: Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

По аналогии с абсолютным временем, Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое неподвижно, однородно, изотропно, бесконечно, вместилище всех тел; может быть абсолютно пустым, существуя независимо от наличия в нем физических тел и являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы.

Сформулируем характерные особенности механистической картины мира

1.Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.

2.Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Согласно этому принципу, случайность целиком исключается из природы. Все в мире строго детерминировано (или определено) предшествующими состояниями, событиями и явлениями. При распространении указанного принципа на действия и поведение людей неизбежно приходят к фатализму. Сам окружающий нас мир при механистической картине превращается в грандиозную машину, все последующие состояния которой точно и однозначно определяются ее предшествующими состояниями. Такую точку зрения на природу наиболее ясно и образно выразил выдающийся французский ученый XVIII в. Пьер Симон Лаплас (1749-1827):

«Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее предстало бы перед его взором».

3.Пространство и время никак не связаны с движениями тел, они имеют абсолютный характер.

Всвязи с этим Ньютон и вводит понятия абсолютного, или математического, пространства и времени, такая картина напоминает представления о мире древних атомистов, которые считали, что атомы движутся в пустом пространстве. Подобно этому в ньютоновской механике пространство оказывается простым вместилищем движущихся в нем тел, которые не оказывают на него никакого влияния.

Пространство бесконечное, плоское, прямолинейное, трехмерное, однородное, изотропное.

Время абсолютно, однородно, равномерно текущее, не зависит от состояния движения тела отсчета.

24

4.Тенденция свести закономерности более высоких форм движения материи к законам простейшей его формы— механическому движению.

5.Связь механицизма с принципом дальнодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью, без посредника.

В классической механике пространство, время и материя не связаны друг с другом. МКМ оставалась господствующей на протяжении ХУП-Х1Х столетия. Физика этого мира была физикой вещества, рассматривала поведение материальных объектов,

обладающих массой покоя. И только с разработкой теории электромагнитного поля физика Х1Х века вышла на иную предметную область, вызвавшую новую концептуальную модель физической реальности. Экспериментами было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля, то есть материя имеет две формывещество и поле.

Материя – это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека. Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. У вещества есть

пять агрегатных состояний:

1.Твердое

2.Жидкое

3.Газообразное

4.Плазма

5.Конденсат

Материя не существует без форменного состояния, она дискретна. Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

Вмакромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.).

Вмикромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярноволновой дуализм.

Движение – это любое изменение, которое происходит с материальными объектами

врезультате их взаимодействий. Материя не существует без движения. Движение – это неотъемлемое свойство материи. Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

Виды движения:

1.Механическое

2.Колебательное и волновое

3.Тепловое

4.Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)

5.Фазовые переходы

6.Радиоактивный распад

7.Химические и ядерные реакции

8.Эволюция живых организмов

9.Метаболизм

25

Глава 3. Становление современной естественно-научной картины мира

Концепции классического естествознания: электромагнитная концепция

Областью физики, где механические модели не могли объяснить наблюдаемые процессы, являлась область электромагнитных явлений.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К.Эрстед, который в 1820 г. впервые заметил магнитное действие электрических токов. Дальнейшими результатами того периода мы обязаны М. Фарадею. Из них особое значение имело открытие электромагнитной индукции. Фарадей исходил из основной идеи о взаимной связи явлений природы. Он считал, что если ток способен вызывать магнитные явления, то и обратно, при помощи магнитов или других токов, можно получить электрические токи. В результате настойчивости и многих попыток Фарадей действительно открыл в 1831 г. это явление, которое еще более укрепило представление о связи между электричеством и магнетизмом.

Второй важнейшей идеей в работах Фарадея было признание основной, определяющей роли промежуточной среды в электрических явлениях. Фарадей не допускал действия на расстоянии, которое, как мы сейчас хорошо знаем, физически бессодержательно, и считал, что электрические магнитные взаимодействия передаются промежуточной средой и что именно в этой среде разыгрываются основные электрические и магнитные процессы.

В 1873 году Джеймс Максвелл опубликовал первый трактат, в котором впервые систематизировал все фундаментальные уравнения по электричеству и магнетизму. Но он был чистым теоретиком, и никогда не участвовал в экспериментах. В своей работе он обобщил закон Кулона по электростатике, теорему Гаусса (Постоянное магнитное поле не возбуждает электрическое поле, так как магнитных зарядов не существует), закон электромагнитной индукции Фарадея (Переменное магнитное поле порождает электрическое поле), уравнение Лапласа (Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле).

Выводы из теории Максвелла:

1.Источник электрического поля – это постоянные электрические заряды, переменные магнитные поля (изменяющиеся во времени).

2.Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды и переменные электрические поля.

3.Переменное магнитное поле возбуждает электрическое, а переменное электрическое поле возбуждает магнитное.

4.Переменное электромагнитное поле не привязано к заряду, способно самостоятельно существовать и распространяться в пространстве

Переменные электрические и магнитные поля – это проявление единого

электромагнитного поля, которое нужно рассматривать как вид материи. Электромагнитное поле обладает импульсом, энергией, а значит, должно обладать и массой, вывод о чем был сделан Максвелл, а доказано это было гораздо позже. Электромагнитное поле способно существовать в отсутствии электрических зарядов, и изменение его состояния носит волновой характер. То есть, электромагнитное поле – это электромагнитная волна, и для нее Максвелл вывел константу –, скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, которая оказалась равной скорости света. Был сделан вывод, что свет – это электромагнитная волна.

26

Позже, в 1888 году Герц доказал это экспериментально.

После экспериментов Г.Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля как объективно существующей физической реальности. Была открыта качественно новая, своеобразная форма материи.

Исходя из уравнения Максвелла, электромагнитные волны могут распространяться в любой среде (в отличие от классической механики) – жидкой, твердой, кристаллической, газообразной, вакууме. Уравнения Максвелла содержат в себе все основные законы электрического и магнитного полей, включая электромагнитную индукцию, и поэтому являются общими уравнениями электромагнитного поля в покоящихся средах.

Т.о., в конце Х1Х столетия физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

*Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

*Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле нет.

*Вещества и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

*Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества - меньше на много порядков.

Концепции современной физики: квантово-механическая концепция описания микромира

При переходе к исследованию микромира, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зрения классической науки ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

В процессе изучения теплового излучения М.Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия может выделяться или поглощаться не непрерывно и не в любых количествах, а в известных порциях- квантах.

Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную постоянную

Е= h Y.

День опубликования формулы - 14 декабря 1900 года в истории физики считается днем рождения квантовой физики, как начало эры нового естествознания.

А.Эйнштейн, в 1905 году идею квантового поглощения и отдачи энергии перенес на излучение вообще и обосновал фотонную (квантовую) теорию света. Свет рассматривался как постоянно распространяющееся в пространстве волновое явление, и вместе с тем, как поток неделимых энергетических световых квантов или фотонов. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии. Таким образом,

получено объяснение явления фотоэлектрического эффекта: наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а еѐ частотой (за эту работу А.Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию).

Развивая представления М.Планка и А.Эйнштейна, в 1924 г. Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Он утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, свойственны всем видам материи: атомам, молекулам, даже макроскопическим телам. Согласно де Бройлю, любому телу с массой, движущемуся со скоростью соответствует волна.

27

Первое опытное подтверждение гипотезы де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи было получено в 1927 году американскими физиками К.Дэвиссоном и Л.Джермером.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В.Гейзенберга, в 1926 г. установившего принцип неопределенности и датского физика Н.Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведение микрообъектов.

Соотношение неопределенностей: Для частиц, обладающих корпускулярно-волновым дуализмом нельзя одновременно определить точно и координату и импульс. Чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс.

Принцип дополнительности: понятия частица и волна дополняют друг друга и в тоже время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.

Существенной чертой квантовой механики является вероятностный характер предсказаний поведения микрообъектов, который описывается при помощи волновой функции Э.Шредингера.

В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени.

Законы квантовой механики — законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества — А. Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать... почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель» (Эйнштейн А., Инфельд Л.).

В микромире господствует статистика, а не уравнения Максвелла или законы Ньютона. Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

Становление современной естественно-научной картины мира

Современная естественно-научная картина мира является результатом синтеза систем мира древности, античности, гео-и гелиоцентризма, механистической, электромагнитной картин мира и опирается на научные достижения современного естествознания (табл 1).

В конце XIX—начале XX в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего это открытия, связанные со строением вещества, и открытие взаимосвязи вещества и энергии.

Современное естествознание представляет окружающий материальный мир нашей Вселенной однородным, изотропным и расширяющимся. Материя в мире находится в форме вещества и поля. По структурному распределению вещества окружающий мир разделяется три большие области: микромир, макромир и мегамир. Между структурами существуют четыре фундаментальных вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые передаются посредством соответствующих полей. Существуют кванты всех фундаментальных взаимодействий.

28

Если раньше последними неделимыми частицами материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считали атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов.

Таблица 1.

Основные этапы становления современной естественно-научной картины мира

	Этап истории	Научная картина мира
	4000 лет до н. э.	Научные догадки египетских			жрецов,	составление
	3000 лет до н. э	солнечного календаря
		Предсказание солнечных и лунных затмений
		китайскими мыслителями
	2000 лет до н. э.	Разработка семидневной недели и лунного календаря в
		Вавилоне
	VIII в до н. э.	Первые представления о единой естественно-научной
		картине мира в античный период. Возникновения
		представлений о материальной первооснове всех вещей
	VII в. до н. э.	Создание математической программы Пифагора-
		Платона
	VI в. до н. э.	Атомистическая физическая программа Демокрита-
		Эпикура
	V в. до н. э.	Континуалистическая		физическая		программа
		Анаксагора-Аристотеля
	II в. н. э.	Изложение геоцентрической системы мира К.
		Птолемеем в сочинении "Альмагест"
	1543 г.	Гелиоцентрическая система строения мира польского
		мыслителя Н. Коперника
	XVII в.	Становление механистической картины мира на основе
		законов механики И. Кеплера и И. Ньютона
	XIX в.	Возникновение электромагнитной картины мира на
		основе трудов М. Фарадея и Д. Максвелла
	XX в.	Становление	современной		естественно-научной
		картины мира

Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, высказанная в античности Демокритом, была возрождена в ХУШ веке Дж.Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу, сопоставив с ним атомные веса других газов.

В 1864 году Д.И.Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

29

История исследований строения атома началась в 1897 году, благодаря открытию Дж.Томсоном электронаотрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку в целом атом электронейтрален, было сделано предположение о наличии в составе атома положительно заряженной частицы.

Модели атома.

Все модели исходили из того, что атом электронейтрален.

1. У. Томсон ( лорд Кельвин) в 1902 году создал первую модель атома.

Рис 3.1. Модель атома Томсона

Ø≈10-10 м

Положительный заряд распределен в достаточно большой области, электроны вкраплены в него. Модель не устояла перед опытной проверкой.

2.Х. Нагаока в 1903 году представил себе расположение электронов в атоме подобно кольцам Сатурна.

3.Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель атома. В центре находится маленькое, но тяжелое ядро, а легкие электроны расположены на достаточно большом расстоянии от него.

Рис. 3.2. Планетарная модель Резерфорда А. При вращении электрон излучает энергию и должен упасть на ядро. Вывод: атом

является неустойчивым, а на самом деле в настоящее время атом является самой устойчивой из известных систем. В этом и есть первое и главное противоречие, если рассматривать атом с точки зрения классической механики.

30