2.2. Дискретность и непрерывность материи в классическом естествознании

К началу XX столетия существовало два представления о материи. Классическая механика трактовала материю как дискретную, а электромагнитная теория – как абсолютно непрерывную.

Материя – есть все существующее вокруг нас. Важнейшими атрибутами материи являются струк­турность, системность и движе­ние. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в кото­рых она проявляется.

В микромире выделяют 4 уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный (атомное ядро и частицы его составляющие) и кварковый. Обсуждается возможный облик пятого (суперструн­ного) уровня.

Взаимодействие тел в макромире осуществляется под действием сил тяготения и электромагнитных сил.

Сила – физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механи­ческого движения.

Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения является масса тел. Всеобщие объек­тивные формы бытия материи – пространство и время.

В классической физике различали два вида материи: вещество и поле. Современное естествознание считает, что еще и вакуум является видом материи.

Вещество – различные тела, ко­торым присуща масса покоя. Мельчайшей частицей ве­щества считаются элементарные частицы.

Поле – специфическая форму распределения материи в пространстве-време­ни, которая характеризуется в каждой точке определенными параметрами, например, длиной и амплитудой волны.

Поля и их кванты не име­ют массы покоя, хотя обладают импульсом.

Структурные уровни организации природы:

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдае­мых микросистем с размером от 10^-8 см и менее, время жизни – от бесконечности (начала образования Вселенной) до 10^-10 с (в порядке убывания: атомы, атомные ядра, элементарные частицы) – мир элементарных частиц и полей.

Макромир – мир макрообъектов, размеры которых соотносят­ся с категориями человеческого опыта, для измерения пространства в миллиметрах, сантиметрах, километрах, для измерения времени в секундах, минутах, часах, сутках и годах. Макромир имеет уровни: физический, химический, биологический, социальный.

Мегамир – мир объектов огромных космических масштабов и ско­ростей, в котором расстояние измеряется световыми годами, а время – миллионами и миллиардами лет.

Микро-, макро- и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое в природе. Тем не менее, на каждом из этих структурных уровней преобладают свои фундаментальные взаимодействия и законы: в микромире – законы квантовой физики, сильное и слабое взаимодействие, в макромире – законы классической физики (механики, термодинамики, электродинамики, гравитационное и электромагнитное). Законы мега-мира основаны в первую очередь на общей теории относительности, гравитационном взаимодействии.

2.3. Концепции дальнодействия и близкодействия

Взаимодействие тел, согласно Ньютону, происходит по принципу дальнодействия, т.е. мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников.

Ш. Кулон от­крыл закон (закон Кулона): положительно и отри­цательно заряженные тела (точечные заряды) притя­гиваются друг к другу прямо пропорционально величи­не их зарядов и обратно пропорционально квадрату рас­стояния между ними.

Ханс Эрстед доказал взаимосвязь электрических и магнитных явлений. Поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, он обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело его к заключению о том, что электрический ток создает магнитное поле.

А. Ампер разработал теорию связи электричества и маг­нетизма.

Позднее М. Фарадей доказывает возможность образования электри­ческого тока в металлическом замкнутом контуре при вра­щении его в магнитном поле. По теории Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непос­редственно, а создают в окружающем пространстве элект­рические поля, которые и взаимодействует друг с другом. Фарадей впервые по существу сформулировал представле­ние об электромагнитном поле как о материальной среде.

Д. Максвелл объединил элект­ромагнитные, магнитные и оптические явления в единую электромагнитную теорию, базирующуюся на представ­лении об электромагнитном поле.

Согласно уравнениям Максвелла изменение магнитно­го поля влечет за собой изменение электрического поля и наоборот, в результате чего возникает переменное элект­ромагнитное поле, которое существует независимо от за­ряда, и самостоятельно распространяется в пространстве. Вычисленная скорость распространения электромагнит­ного поля оказалась равной скорости света. Это привело Максвелла к выводу о том, что свет представляет собой электромагнитную волну. Отсюда следовало, что электри­ческие и оптические явления имеют одну сущность.

Г. Герц продемонстрировал «беспроволочное рас­пространение» электромагнитных волн. В науке того времени утверждается электромагнитная картина мира, в которой кардинально изменяется взгляд на материю. Движение в поле рассматривается как распро­странение колебаний, которое описывается законами элек­тродинамики.

В новой картине мира ньютоновский прин­цип дальнодействия был заменен на фарадеевский прин­цип близкодействия, согласно которому взаимодействие рассматривается как передача полем какого-либо действия от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. Но и в этой картине мира не изменилось представление о роли человека во Вселенной.

Литература: 1, 4–9.

Лекция 3. ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ. СТАТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ