2.11. “Революция” в естествознании на рубеже XIX-xXвв. Общая характеристика квантовой и релятивистской теорий. Принцип дополнительности (корпускулярно-волновой дуализм) и принцип относительности

Наиболее глубокие революционные изменения происходили в конце XIX и начале XX века в естествознании, особенно в физике. Они были столь фундаментальны, что породили не только кризис физики, но очень серьезно затронули и ее философские основания. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми части­цами материи считались 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 (лишенных заряда частиц). Согласно первой модели атома, построенной англий­ским ученым Эрнестом Резерфордом (1871—1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Но такая система была, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. Опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требу­ются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована вы­дающимся датским физиком Нильсом Бором (1885—1962), он предположил, что при вращении по орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта (порции энергии), только при переходе электрона с одной орбиты на другую. Например, явле­ние фотоэффекта, когда кванты энергии видимого света вызывают электрический ток. В 1925—1927 г. для объяснения процессов, происхо­дящих в мире мельчайших частиц материи, была создана новая наука - квантовая механи­ка (волновая). Она породила другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория эле­ментарных частиц и другие, которые исследуют законо­мерности движения микромира.

Квантовая механика описывает законы движения микрочастиц. Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

Нерелятивисткая квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория.

Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией.

Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важное открытие, - было доказано (экспериментально), что между ве­ществом и полем не существует непроходимой границы, т.е. что в определенных условиях элементарные частицы веще­ства обнаруживают волновые свойства, а частицы поля — свойства корпускул (дуализм волны и частицы). До этого физики считали, что вещество, состоящее из разнообразных материаль­ных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля— волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волно­вых свойств совершенно исключалось. Но под давлени­ем неопровержимых экспериментальных результатов ученые вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

К числу важнейших открытий, подорвавших основы механической картины мира, также относятся, в частности, обнаружение рентгеновских лучей (1895 г.) и радиоактивности урана (1896 г.,А. Беккерель, Л. Кюри, М. Складовская- Кюри). К 1903 г. были достигнуты значительные результаты в исследовании радиоактивности: получило определенное обоснование ее объяснение как спонтанного распада атомов, была доказана превращаемость химических элементов. А.Эйнштейн раскрыл количественную связь между массой тел и энергией связи их атомов. Объяснить указанные (и некоторые другие) открытия в рамках механической картины мира не удавалось; все более явной становилась недостаточность классико-механического понимания физической реальности. Это вызвало определенное замешательство у ряда крупных физиков. Все это привело к коренному пересмотру преж­них устоявшихся представлений о строении материи. Рухнуло основное положение атомистического мате­риализма о неделимости, неизменности и о неуничтожимости атома, что послужило поводом для опро­вержения материализма в свете новейших выводов естествознания. С развитием естествознания происходит смена одного научного представления о мире(материи) другим, более глу­боким и основательным. Однако такая смена конкретных научных представлений не может опроверг­нуть смысл и значение философского понятия (кате­гории) "материя", которая служит для обозначения объективной реальности, данной человеку в его ощу­щениях и существующей независимо от них. Преодоление трудностей, с которыми столкнулась физика, потребовало (как всегда бывает в период революционных изменений в науке) анализа проблем не только физических ,но и гносеологических. В итоге напряженных дискуссий в физике сложилось несколько школ, кардинально расходившихся в понимании путей выхода из кризисной ситуации.

Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. Принцип относительности был использо­ван для описания электромагнитных процессов. Специальная теория относительности появилась в связи с преодолением трудностей, возникших в этой теории.

Важный урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что всё движения, проис­ходящие в природе, имеют относительный характер, т.е. в природе не существует никакой абсолют­ной системы отсчета, следовательно, и абсолютного дви­жения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще большие изменения в учении о про­странстве и времени произошли в связи с созданием об­щей теории относительности, (теория тяготения), принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Об­щая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел и структурой физического пространства — вре­мени. Теоретические выводы из нее были экспе­риментально подтверждены во время наблюдения сол­нечного затмения.