10) Понятие научной революции. Первая и вторая научные революции

Познавая окружающий мир, человек стремится создать в своем сознании его определенную модель или, как говорят картину мира. На каждом историческом этапе развития представления о мире различны, т. е. картина мира изменяется (эволюционирует) по мере познания окружающей реальности. Картину мира можно понимать как парадигму миропонимания – совокупность идей, теорий, методов, концепций, описывающих известный человеку природный мир. В период господства какой-либо парадигмы происходит «мирное» развитие науки, т. е. количественное накопление знаний о природе. Такое развитие естествознания было характерно, например, для натурфилософии античности. Смена научных парадигм представляет собой революцию в естествознании. Революция – это переворот. Научная революция – это коренные изменения в научных знаниях, радикально меняющие прежнее видение мира.

Висториинаукивыделяюттриглобальныенаучныереволюции. В VI−IV вв. до н. э. произошла первая революция в познании мира, в результате которой и начинается зарождение самой науки. Она связана с именем Аристотеля, который создал формальную логику – главный инструмент выведения и систематизации знания. Научное знание было предметно дифференцировано, науки о природе отделены от метафизики, математики. Аристотелем были определены нормы научности знания, даны образцы объяснения, описания и обоснования в науке, многими из которых пользуются и сейчас.

Вторая глобальная научная революция произошла в эпоху перехода от средневековья к Новому времени. Исходным моментом этой революции является появление гелиоцентрического учения великого польского астронома Н. Коперника. Однако одно только это учение не отражает суть перемен, происходящих в этот период в науке. Научная революция XVI−XVIII вв. привела к становлению классического естествознания. Основоположниками его были Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон. Итогом работы этих ученых стало создание механистической научной картины мира (МКМ) на базе экспериментально-математического естествознания. Основополагающими идеями МКМ являются классический атомизм и механицизм, а ее ядром – механика Ньютона. Фундаментальные понятия этой картины мира: материя, движение, пространство, время, взаимодействие.

Материя – это вещество, состоящее из неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц.

Пространство, по Ньютону, может быть относительным и абсолютным. Производя измерения пространственных отношений между телами, люди знакомятся с относительным пространством. Абсолютное пространство – это вместилище тел, никак не связанное со временем. Свойства абсолютного пространства не зависят от того, имеются в нем тела или нет. Оно является трехмерным, бесконечным, однородным, изотропным, непрерывным. Пространственные отношения описываются геометрией Евклида.

Время также бывает относительным и абсолютным. Относительное время познается людьми в процессе измерений. Абсолютное время (истинное, математическое) Ньютон иначе называл длительностью. Время – это пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Оно течет равномерно, в одном направлении (от прошлого к будущему), непрерывно, бесконечно, однородно (везде одинаково).

Для изучения материальных объектов в абсолютном пространстве и времени необходима система отсчета, т. е система координат и часы. Система отсчета, жестко связанная с абсолютным пространством, является инерциальной.

Движение в МКМ признавалось только механическое. Это изменение положения тела в пространстве с течением времени. Любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). Движение тел объяснялось с точки зрения трех законов Ньютона, при этом пользовались понятиями силы и массы. Сила – это количественная мера действия одних тел на другие, причина движения и деформации тел. Масса являлась мерой инертных и гравитационных свойств тела.

Действие тел друг на друга не является односторонним, тела оказывают взаимное действие друг на друга. Механика стремилась свести все явления природы к действию сил притяжения и отталкивания, встретив на этом пути непреодолимые трудности. Силы притяжения между телами Вселенной были названы гравитационными. Величина этих сил определяется из закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном. Сущность закона: все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними

Масса, найденная из закона всемирного тяготения, получила название гравитационной.

Гравитационные силы являются универсальными. Это значит, что они действуют всегда и между всеми телами. Эти силы сообщают всем телам одинаковое ускорение. Для поверхности Земли среднее значение ускорения g = 9,81 м/с².

Важнейшие принципы механики: принцип относительности Галилея (о нем уже говорилось выше), принцип дальнодействия и принцип причинности.

Механическая картина мира оказалась далека от совершенства, по мере развития физики становилось ясно, что не все явления и процессы могут быть объяснены с помощью классической механики. Изучение тепловых явлений показало, например, что скорость, кинетическая энергия, импульс отдельной частицы изменяются без изменения параметров, характеризующих систему в целом. Значит состояние системы не определяется движением отдельных частиц. Количественные изменения в числе частиц приводят к качественно новым особенностям в их движении, которые описываются статистическими законами, носящими вероятностный характер. Однако, несмотря на ограниченность и недостатки классической механикиРазвитиеФизикиВплотьдосередины XIX в. шло в рамках ньютоновских воззрений. За это время было сделано много выдающихся открытий, но они только дополняли и усложняли сложившуюся картину мира, не затрагивая ее основы 

Таким образом, третья научная революция привела к смене теоретических и методологических установок во всем естествознании. Отличительной особенностью этого этапа научного познания является то, что наряду с физикой теперь в естествознании лидирует целая группа отраслей: химия, биология, кибернетика, космонавтика и др. Уже в рамках новой, неклассической картины мира произошли мини-революции в биологии (развитие генетики), космологии (концепция нестационарной Вселенной) и т. д.

11) Главная принципиальная особенность современной естественнонаучной картины мира – принцип глобального эволюционизма. Появление принципа глобального эволюционизма означает, что в современном естествознании утвердилось убеждение в том, что материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. Это принципиально новый для естествознания взгляд на вещи, хотя сама идея эволюции зародилась в XIX в. Наиболее сильно она прозвучала в учении Ч. Дарвина о происхождении видов.

12)В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия – мера беспорядка). До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.

№13Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал теорию механики, описывающую одинаковыми закономерностями и движение небесных тел и земных объектов. В рамках механистической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – корпускул или атомов. Абсолютно прочных неделимых обладающих массой. Время рассматривалось как величина независящая от пространства и материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики.

К корпускулярной модели были сведены все процессы во вселенной, в том числе и распространение света. Ньютон считал, что святящиеся тела испускают мельчайшие частицы, движущиеся в соответствии с законами механики.

Но наряду с корпускулярной теорией света в это же время начинает распространиться и волновая концепция автором, которой был Х. Гюйгенс. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением свет и распространение волн в различных средах (в воде в воздухе). Средой распространения свет считался в то время эфир. Главным аргументом в пользу своей концепции Гюйгенс считал тот факт, что два луча света проходят сквозь друг друга, не рассеиваясь. Некоторые противоречия волновой концепции света были устранены опытами Гримальди, луч света способен, как и любая волна, огибать препятствия, если обычно этого не заметно, то это потому что у света очень маленькая длинна волны, но если рассмотреть границу очень резкой тени при некотором увеличении, можно увидеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных участков и ореолов. Это явление получило название дифракции. Подтверждением волновой концепции является так же интерференция (световые волны находящиеся в противофазе как бы гасят друг друга). В области электромагнитных явлений корпускулярная модель так же оказалась несостоятельной.

№14.Волнова́я тео́рия све́та — теория, объясняющая природу света. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя какэлектромагнитная волна, от длины которой зависит цвет видимого нами света.Теория подтверждается многими опытами (в частности,опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, какдисперсия,дифракцияиинтерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.Теория берёт своё начало отГюйгенса. Она рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты - как результатинтерференцииэтих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвав в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работахМаксвеллав формеуравнений Максвелла. Использование представления о свете как волне позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией идифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений иголографию).

15) Электромагнитная картина мира

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ).

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М.Фарадеем и Дж.Максвеллом, Г.Герцем.

М.Фарадей, отказываясь от концепции дальнодействия (переносчик взаимодействия) вводит понятие физического поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Дж.Максвелл развивает теория электромагнитного поля, а Г.Герц экспериментально открывает электромагнитные волны.

В ЭМКМ весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света.

Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Дж.Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.

На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.

Делаются попытки свести механическое описание явлений к описанию на основе теории электромагнитного поля. Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к нескольким математически строгим, хотя и очень сложным, соотношениям.

Понятие эфира (как переносчика света и электромагнитных волн) медленно эволюционирует - вплоть до полного отказа в конечном итоге от самой концепции эфира.

Меняются представления учёных о пространстве и времени. Появляются первые работы А.Эйнштейна по теории относительности. В научных работах зарождаются новые взгляды на природу тяготения, отличные от тех, что развивались в механической картине мира.

Вселенная как бы обретает совершенно новые черты. Ученые обнаруживают «разбегание» галактик.

ЭМКМ расширяется, уточняется и углубляется. Учёные строят всё новые и новые модели атома, стремясь узнать, какая из них все-таки ближе всего к истине.

Наиболее красивой и точной стала планетарная модель атома, созданная Э.Резерфордом. Но именно она стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.

Уже в конце XIX, начале XX века экспериментальные данные, полученные при изучении микро- и мегамира, резко расходились с предсказаниями существующих естественно-научных теорий, требовали разработки новых, более точных и адекватных сущности многих загадочных явлений.

Не смотря на это, электромагнитная картина мира подарила нам очень многое, без чего мы не можем представить современную жизнь: способы получения и использования электрической энергии, к примеру, электрическое освещение (без которого уже немыслимы наши жилища) и отопление, современные электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение). Без радиосвязи, например, уже невозможно существование современных государств, функционирование транспорта и производства, немыслимо даже повседневное общение людей.

16) квантовая теория света и ее эволюция

В 1900 г. Планк показал, что способность нагретого тела к лучеиспусканию можно правильно количественно описать, только предположив, что лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрс-рывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями — квантами.

Сам Планк долгое время полагал, что испускание и поглощение света квантами есть свойство излучающих тел, а не самого излучения, которое способно иметь любую энергию и поэтому могло бы поглощаться непрерывно. Однако в 1905 г. А. Эйнштейн, анализируя явление фотоэлектрического эффекта, пришел к выводу, что электромагнитная (лучистая) энергия существует только в форме квантов и что, следовательно, излучение представляет собой поток неделимых материальных «частиц» (фотонов), энергия которых определяется уравнением Планка.

Фотоэлектрическим эффектом называется испускание металлом электронов под действием падающего на него света. Это явление было подробно изучено в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым. Схема установки для измерения фотоэффекта изображена на рис. 4. Если поместить установку в вакуум и подать на пластинку М отрицательный потенциал, то тока в цепн наблюдаться не будет, поскольку в пространстве между пластинкой и сеткой нет заряженных частиц, способных переносить электрический ток. Но при освещении пластинки источником светагальванометр обнаруживает возникновение тока (называемого фотоком), носителями которого служат электроны, вырываемые светом из металла.

Оказалось, что при изменении интенсивности освещения изменяется только число испускаемых металлом электронов, т. е. сила фототока. Но максимальная кинетическая энергия каждого вылетевшего из металла электрона не зависит от интенсивности освещения, а изменяется только при изменении частоты падающего на металл света. Именно с увеличением длины волны (т. е. с уменьшением частоты) энергия испускаемых металлом электронов уменьшается, а затем, при определенной для каждого металла длине волны, фотоэффект исчезает и не проявляется даже при очень высокой интенсивности освещения.

Так, при освещении красным или оранжевым светом натрий не проявляет фотоэффекта и начинает испускать электроны только при длине волны, меньшей (желтый свет), у лития фотоэффект обнаруживается при еще меньших длинах волн, начиная с (зеленый свет), а вырывание электронов из платины под действием видимого света вообще не происходит и начинается только при облучении платины ультрафиолетовыми лучами.

Эти свойства фотоэлектрического эффекта совершенно необъяснимы с позиций классической волновой теории света, согласно которой эффект должен определяться (для данного металла) только количеством энергии, поглощаемой поверхностью металла в единицу времени, но не должен зависеть от типа излучения, падающего на металл. Однако эти же свойства получают простое и убедительное объяснение, если считать, что излучение состоит из отдельных порций, фотонов, обладающих вполне определенной энергией.

В самом деле, электрон в металле связан с атомами металла, так что для его вырывания необходима затрата определенной энергии. Если фотон обладает нужным запасом энергии (а энергия фотона определяется частотой излучения), то электрон будет вырван, фотоэффект будет наблюдаться. В процессе взаимодействия с металлом фотон полностью отдает свою энергию электрону, ибо дробиться на части фотон не может. Энергия фотона будет частично израсходована на разрыв связи электрона с металлом, частично на сообщение электрону кинетической энергии движения. Поэтому максимальная кинетическая энергия выбитого из металла электрона не может быть больше разности между энергией фотона и энергией связи электрона с атомами металла. Следовательно, при увеличении числа фотонов, падающих на поверхность металла в единицу времени (т. е. при повышении интенсивности освещения), будет увеличиваться только число вырываемых из металла электронов, что приведет к возрастанию фототока, но энергия каждого электрона возрастать не будет. Если же энергия фотона меньше минимальной энергии, необходимой для вырывания электрона, фотоэффект не будет наблюдаться при любом числе падающих на металл фотонов, т. е. при любой интенсивности освещения.

Квантовая теория света, развитая Эйнштейном, смогла объяснить не только свойствафотоэлектрического эффекта, но и закономерности химического действия света, температурную зависимостьтеплоемкости твердых тел и ряд других явлений. Она оказалась чрезвычайно полезной и в развитии представлений о строении атомов и молекул.

Альберт Эйнштейн, выдающийся физик, родился 14 марта 1879 г. в Ульме (Германия), с 14 лет жил в Швейцарии. Работал преподавателем средней школы, экспертом патентного бюро, с 1909 г. был профессором Цюрихского университета (Швейцария), с 1914 до 1933 г. — профессор Берлинского университета. С 1933 г. в знак протеста против гитлеровского режима отказался от германского подданства и от звания члена Прусской Академии иаук. С 1933 г. до конца жизни — профессор Института фундаментальных исследований в Принстоне (США).

С 1905 г. Эйнштейн разработал частную, а к 1916 г. — общую теорию относительности, заложившую основы современных представлений о пространстве, тяготении и времени; осуществил основополагающие исследования в области квантовой теории света; ряд его важных работ посвящен теории броуновского движения, магнетизму и другим вопросам теоретической физики. В 1921 г., был награжден Нобелевской премией. В 1927 г. - почетный член Академии наук СССР.

Из квантовой теории света следует что фотон неспособен дробиться: он взаимодействует как целое с электроном металла, выбивая его из пластинки; как целое он взаимодействует и со светочувствительным веществом фотографической пленки, вызывая ее потемнение в определенной точке, и т. д. В этом смысле фотон ведет себя подобно частице, т. е. проявляет корпускулярные свойства. Однако фотон обладает и волновыми свойствами; это проявляется в волновом характере распространения света, в способности фотона к интерференции идифракции. Фотон отличается от частицы в классическом понимании этого термина тем, что его точное положение в пространстве, как и точное положение любой волны, не может быть указано. Но он отличается и от «классической» волны — неспособностью делиться на части. Объединяя в себе корпускулярные и волновые свойства, фотон не является, строго говоря, ни частицей, ни волной — ему присуща корпускулярно-волновая двойственность.