10642 (Сравнительный анализ классической и неклассической стратегий естественнонаучного мышления), страница 2

На рубеже ХIХ-ХХ вв. происходит новая революция в науке, в результате которой разрушились существовавшие метафизические представления о строении, свойствах, закономерностях материи (взгляды на атомы как неизменные, неделимые частицы, на механическую массу, на пространство и время, на движение и его формы и т.д.) и появился новый тип науки – неклассические науки. Для неклассического типа рациональности характерен учет того, что объект познания, а, следовательно, и знание о нем, зависят от субъекта, от используемых им средств и процедур.

В ХХ веке в неклассической науке появилось осознание зависимости всех наших знаний от познающего человека – субъекта. Например, физики признают, что в квантовой механике получается знание не о частице, как она существует сама по себе, а о том ее состоянии, в которое она пришла в результате воздействия на нее прибора в процессе эксперимента. И ХХ в. обнаружил разрушительный потенциал науки, заставил задуматься о том, как привести в соответствие развитие науки и гуманистические идеалы, как сделать их органической частью познавательной и практической деятельности человека.

Большое значение для подготовки научной революции на рубеже веков имели исследования процессов излучения тел, развернувшиеся в начале XIX в. Они привели к формированию в 1900 г. квантовой гипотезы М. Планка, согласно которой тела излучают энергию не непрерывно, как должно было быть, если исходить из того, что энергия – характеристика поля, а поле непрерывно. Излучение происходит определенными порциями (квантами), из чего следует, что частицы энергии ведут себя и как волны (они излучаются как волны), и как частицы (потому что они дискретны - прерывны).

Дискретный характер излучения также не укладывался в классическую физику. Все попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в эфире выявили свою несостоятельность, следствием чего и был вывод о том, что поведение формы материи в виде электромагнитного поля не укладываются в рамки законов механики.

В конце XIX в., помимо открытий в области электричества и магнетизма, был сделан еще целый ряд открытий, которые послужили причиной научной революции на рубеже XIX и XX столетий: открытие рентгеновских лучей (1895, В. Рентген), электрона (1895, Дж. Томсон) и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности (1896, А. Беккерель), фотоэффекта и его законов и др.

Таким образом, если до XIX в. физика была в основном физикой вещества и рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы, обладающих конечной массой покоя, между которыми действуют силы, направленные по прямым и зависимые от расстояний между телами, то в XIX в. появились физические теории, в которых силы зависят не только от расстояний, но и от скоростей, и притом не направлены по прямым. Распространение сил происходит не мгновенно (как у Ньютона), а с конечной скоростью.

2.2 Революция в физике на рубеже XIX и XX столетий

Открытия на рубеже XIX-XX столетий показали, что вещество обладает качествами, которыми не может обладать, если классическая механика точно объясняет мир. Оно, как выяснилось из изучения электрона, может не иметь точно определяемой массы, что разрушает классические законы сохранения массы и движения. Масса в классической физике понималась как основной признак материальности тел, поэтому физики забили тревогу: «Материя исчезла!». Энергия, как показывала радиоактивность, может браться неизвестно откуда, в нарушение классического закона сохранения энергии.

Попытки снять названные противоречия привели к созданию новых физических теорий, заставивших пересмотреть представления о пространстве, времени и веществе, характерные для классической физики. Это были две концепции - теория квантов и теория относительности, которые стали фундаментом для новой физики.

2.3 Квантовая теория

Квантовая теория кардинально изменила классические представления о веществе. В классической физике Ньютона мир понимался как состоящий из материи, а материя – из отдельных частиц, корпускул. К концу XIX в. был открыт еще один вид материи – поле. Оба вида материи, считалось, подчиняются законам. Это понимание устройства мира закрепилось в детерминистском принципе, сформулированном в XIX в. французским физиком Пьером Лапласом. Суть этого принципа можно изложить следующим образом: во Вселенной все явления связаны причинно-следственной связью, которая имеет законосообразный характер. Законы позволяют по ее состоянию в определенный момент точно рассчитать, как будет развиваться Вселенная и каким будет ее состояние в следующий интересующий нас момент.

Исследовавший тепловые излучения М. Планк установил, что в процессах излучения энергия может быть отдана и поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь небольшими неделимыми порциями, которые исследователь назвал квантами действия. Величина энергии кванта определяется по формуле Е = hy, где h – определенная константа (постоянная Планка), а y – частота света. Формула была опубликована 14 декабря 1900 г., который стали считать днем рождения квантовой теории и всей атомной физики, потому что понятие кванта позволило создать модель атомной оболочки и атомного ядра.

Вклад датского физика Нильса Бора в развитие квантовой теории состоял в том, что он принимает теорию квантов и на ее основе в 1913 г. создает теорию атома. Она основана на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: 1) в каждом атоме существуют несколько стационарных состояний, в которых электрон может существовать, не излучая; 2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. Она стала первым шагом к идее о «волнах материи», выдвинутой французским физиком Луи де Бройлем.

Де Бройль утверждал, что волновые свойства наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Каждой волне соответствует электромагнитная частица, а любой частице – волна. Волновая механика де Бройля (1924 г.) объясняла, почему электрон может вести себя то как частица, то как волна. Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение волновой механики (уравнение Шрёдингера), позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Уравнение содержало так называемую волновую функцию y (пси-функцию), описывающую волну (в абстрактном, конфигурационном пространстве). Пси-функция определяла плотность вероятности нахождения частицы в данной точке. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности. С помощью пси-функции вычисляется вероятность присутствия электрона в определенной области пространства.

Иначе говоря, в квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезала.

Экспериментальными доказательствами волновой теории вещества стали опыты по обнаружению дифракции электронов, нейтронов, атомов и молекул.

Квантовая механика включает также сформулированный в 1926 г. немецким физиком Вернером Гейзенберг принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс движущейся частицы не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы, согласно классической механике, важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. Но законы классической механики для микромира неприменимы, поэтому, чем точнее измеряется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются измерения скорости.

Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип дополнительности, который Н. Бор сформулировал так: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Он объясняет, почему нельзя одновременно измерить координаты и импульс движущейся частицы: как волны они как бы «размазаны» в пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероятности их обнаружения в определенном пространстве.

Квантовая теория изменила классические представления о структуре материи. Для классического понимания материальной частицы было характерно ее выделение из окружающей среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса (мера движения, Ft), характеризующаяся ее квантовым состоянием, представляющим собой комбинацию положения и скорости. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от такого представления движения. Классический (динамический) детерминизм уступил место вероятностному (статистическому). Имеется в виду тот факт, что квантовая теория предсказывает результаты измерения движения частиц не однозначно, но ряд результатов и их вероятность. Скажем, если мы выполняем одно и то же измерение для многих одинаковых систем с одинаковыми начальными условиями (к примеру, измеряем скорость движения молекул одного и того же газа при нагревании на одну и ту же температуру), мы обнаружим, что у нас молекулы будут двигаться с разными скоростями, и мы можем предсказать, какая часть из них будет двигаться с одной скоростью, какая – с другой, а какая – с третьей. Квантовая механика ввела, таким образом в науку элемент непредсказуемости, случайности и нанесла сокрушительный удар по лапласовскому детерминизму.

Важной составной частью квантовой теории является квантовая статистика или статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. Квантовая статистика отказывается от представления различимости частиц и рассматривает их как тождественные. Она не ставит себе целью описание индивидуальных событий, происходящих в пространстве и времени, как это делала классическая физика, а описывает поведение систем частиц посредством статистического метода с его волнами вероятности, а не посредством законов классической физики.

Появление квантовой теории привело к созданию новой физической картины мира. Благодаря этому физика из науки, которая изучает и объясняет механизм явлений, превратилась в науку, разрабатывающую методы искусственного воспроизведения физических процессов, и стала лидером современного естествознания.

2.4 Теория относительности

В 1905 г. немецкий физик А. Эйнштейн, тогда еще служащий Швейцарского патентного бюро, опубликовал основные положения своей специальной теории относительности (СТО), которую развил в 1906 г. Теория относительности принципиально по-новому подошла к изучению природы: ее предметом является не абсолютное вещество, являющееся основой всего существующего, а взаимосвязи между различными наблюдаемыми явлениями - событиями. Событие – это нечто происходящее в определенной точке пространства и в определенный момент времени.

Событие характеризуется не тремя, а четырьмя координатами, образующими четырехмерное пространство-время, или в терминологии Эйнштейна, «пространственно-временной континуум».

Пространственно-временной континуум также постоянен для каждой системы, поэтому в нем чем больше длина движущегося тела относительно его длины в неподвижном состоянии, тем быстрее движется время в системе этого тела.

Основные положения СТО были получены на основании опыта, поставленного Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в 1887 г. для проверки гипотезы эфира, в котором якобы движется Земля и распространяется свет. Они сравнивали скорости света в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Согласно механике Ньютона они должны были быть разными для света, который распространяется в направлении, противоположном вращению Земли, и для света, который распространяется перпендикулярно ее вращению. Опыт показал, что обе скорости одинаковы, то есть ньютоновский принцип относительности нарушается. Кроме того, в названных опытах не был обнаружен эфир.

Из двух принципов — постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математически следуют все положения специальной теории относительности (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся. Она рассчитывается по формуле:

где l `- длина тела в движущейся системе со скоростью V по отношению к неподвижной системе; l - длина тела в покоящейся системе.

Эйнштейн проанализировал одно из основных для классической механики понятие одновременности и показал его относительность. В классической механике понятие одновременности имеет абсолютный смысл. Это значит, что два события, одновременные в одной инерциальной системе, одновременны также во всех других инерциальных системах, с какими бы постоянными скоростями они ни двигались относительно первой. В теории относительности Эйнштейна одновременность событий нарушается в некоторой системе, если наблюдатель находится в другой системе, и либо его система, либо наблюдаемая система движутся с околосветовой скоростью. В новой физике понятию абсолютной одновременности, а вместе с ним понятию абсолютного и равномерно текущего для всех инерциальных систем времени пришел конец. Время стало пониматься как относительная характеристика, зависящая от характера движения материальных систем. Это разрушало понятие абсолютного времени. А при условии отказа от понятия абсолютного времени оказывалось, что нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже об этом сказал и известный французский физик Анри Пуанкаре). Оказалось проще представлять, что свет распространяется в пустом пространстве, что электромагнитные поля могут существовать в пустом пространстве. Теоретическая относительность пространства и времени была подтверждена экспериментально. В космических лучах в верхних слоях земной атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезоны (пионы). Собственное время жизни пионов – 10 -8 с. За это время они могут пройти не более 300 см, и не должны бы долетать до земли. Но приборы их регистрируют, то есть они пролетают 30 км, в 10 тыс. раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт тем, что в системе отсчета Земли (где его скорость стремиться к С) время жизни пиона намного больше, и за это время он может долететь до земли.

Из постоянства скорости света вытекают два следствия. Первое - закон эквивалентности массы и энергии (Е = mc², где Е - энергия, m - масса, с - скорость света). Философский смысл этого закона состоит в том, что нет непроходимой границы между двумя физическими характеристиками: массой (характеристикой вещества) и энергией (характеристикой движения), а, следовательно, и границы между веществом и движением: свойства вещества определяются скоростью его движения. То, что при одних скоростях существует как привычное нам вещество, при других скоростях может существовать иначе – как энергия.

Вторым следствием из постоянства скорости света является закон, по которому ничто не может двигаться быстрее света.

Специальная теория относительности объяснила постоянство скорости света для всех наблюдателей и позволила описать, что происходит при прямолинейном и равномерном движении со скоростями, близкими к световым при отсутствии силы тяготения. Пространство в ней понимается как псевдоевклидовое многообразие, в котором находятся физические поля. Но, благодаря И. Ньютону, мы знаем, что все массивные тела подвержены силе тяготения, а опыт говорит, что в природе больше распространено движение непрямолинейное и неравномерное. В случаях такого движения принцип относительности в его прежней формулировке оказывается несправедливым, ибо в движущейся ускоренной системе координат механические, оптические и электромагнитные явления протекают не так, как в инерциальных системах отсчета. Учитывая эти факты, чтобы описать такое движение позже в 1912 г. Эйнштейн создает общую теорию относительности, называемую также теорией тяготения (или гравитации).