Концепция современного естествознания

Концепция современного естествознания

ЧАСТЬ 2. ФИЗИКА НЕОБХОДИМОГО.

В настоящем и последующем разделах будут рассмотрены

понятия и законы классической физики, или, в более общем

понимании, физики необходимого. В этих разделах

рассматриваются явления, законы теории, в основе которых

лежит принцип детерминизма. Идея этого принципа состоит в том,

состояние физической системы однозначно определяется ее

начальным состоянием и законами ее развития. Под физическими

системами подразумеваются структуры, состоящие из вещества или

поля.

При наблюдении за каким-либо процессом или явлением

относящимся к этим разделам физики, в принципе, всегда можно

сказать, как поведет себя система в будущем. Например, упругое

тело всегда с необходимостью отскакивает от твердой стенки;

вслед за полным оборотом по своей орбите вокруг Солнца Земля с

необходимостью сделает следующий.

В разделе «Физика дискретного» рассматриваются законы и

явления, связанные с формой материи, существующей в виде

вещества, т.е. с материей, локализованной в пространстве. В

следующем разделе «Физика непрерывного» будут рассмотрены

явления и законы, связанные с другой формой существования

материи - полем и волнами. Поля и волны не локализованы в

ограниченной части пространства и для их описания требуются

другие, отличные от вещества законы.

В следующем разделе настоящего курса - "Физика возможного"

мы столкнемся с процессами, которые могут иметь несколько

исходов. Например, электрон, сталкиваясь с препятствием

(барьером) может либо отскочить от него, либо пройти сквозь

него. Последнее возможно лишь для квантовых частиц благодаря

так называемому "туннельному эффекту", хорошо известному в

квантовой механике. Важнейшим моментом для физики необходимого

является строго определенное описание системы , а для физики

возможного - вероятностное описание систем. Следствием этого

является введение нового детерминизма - вероятностного

детерминизма.

6. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ.

Физика - наука, изучающая простейшие и в вместе с тем

наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и

строения материи, законы ее движения. Законы физики лежат в

основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам

и изучает количественные закономерности явлений. Ее законы

базируются на фактах, установленных опытным путем. В основе

физики лежит научный метод познания.

Слово физика происходит от греческого слова Physic -

природа. В эпоху античной культуры наука охватывала всю

совокупность знаний человека о природных явлениях. По мере

дифференциации знаний и методов исследования из нее выделились

различные разделы, в том числе и физика в привычном понимании

этого слова. Однако, границы, отделяющие физику от других

наук, в значительной мере условны и зависят от общей суммы

человеческих знаний.

В истории развития физики обычно выделяют три этапа.

Первый из них начинается в античности и заканчивается в 16-

ом веке. В это время господствовала метафизики Аристотеля.

Второй этап начинается с работ Коперника, Кеплера, Галилея,

Декарта, Ньютона и заканчивается в конце 19-го века. На этом

этапе идет процесс развития метода научного познания, о

котором уже шла речь. И, наконец, третий этап продолжается с

начала нашего века по сей день. Это этап развития современной

квантовой физики.

Физические явления издавна привлекали внимание людей. В 6-

2 веках до н.э. впервые зародились идеи об атомном строении

вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В это время в работах

Птолемея и Аристотеля возникла гелиоцентрическая картина мира

и были сформулированы основные законы статики (правило рычага)

и гидростатики (закон Архимеда), которые с успехом применялись

в строительстве, военном деле и в других областях. Известна

легенда об Архимеде, открывшем свой известный закон изменения

веса тела в жидкости. Выполняя заказ сиракузского правителя,

Архимед должен был определить, какое количество серебра и

какое - золота содержалось в сплаве, из которого ювелир должен

был сделать корону. В эту эпоху наблюдались и исследовались

простейшие проявления электричества и магнетизма.

Итог накопленных знаний подвел Аристотель (384-322 г.г. до

н.э.). Из числа дошедших до нас работ наибольший интерес

представляют "Первая философия", "Метафизика", "Физика". В

этих трудах содержится учение об основных принципах бытия,

возможности и осуществлении, форме и материи, действующей

причине и цели. Аристотель признавал значение опыта, но не

придавал ему решающего значения, считая, что критерием

правильности является умозрительное заключение. В средние

века учение Аристотеля было канонизировано церковью, что

надолго затормозило развитие естественных наук.

Не вдаваясь в сложные рассуждения, рассмотрим основную

идею механики Аристотеля, используя современный язык. Как

известно из школьного курса физики, согласно второму закону

Ньютона ускорение, приобретаемое телом пропорционально сумме

действующих на это тело сил: [pic].[pic]В основе же механики

Аристотеля лежало утверждение, что скорость тела

пропорциональна действующей на него силе: [pic].[pic]

Естественно, что механика Аристотеля и механика Ньютона в

корне отличались друг от друга. О втором законе Ньютона речь

еще пойдет ниже, а в оправдание Аристотеля отметим, что, если

не ставить специальных экспериментов, а только наблюдать за

движущимися телами, то видно, как они останавливаются, если к

ним не прикладывать дополнительной силы. Сейчас мы, конечно,

знаем, что тела останавливаются из-за действия на них сил

трения, которые, как правило, бывают пропорциональны скоростям

тел. Если же к этим телам приложить некоторою силу, то они

станут двигаться с постоянной скоростью, тем большей, чем

больше сила тяги. Но легко быть умным, зная ответ на вопрос, и

очень непросто самому его найти.

Развитие физики как науки в современном понимании этого

слова, т.е. науки в основе которой лежит научный метод

познания, началось на рубеже 16-17 веков и связано, в первую

очередь, с именем итальянского ученого Галилео Галилея (1564-

1642). Галилей понял необходимость математического описания

движения материи под которым в его время подразумевалось

механическое движение тел - их перемещение в пространстве и

времени. Галилей опроверг ошибочные утверждения механики

Аристотеля и заложил основы современной механики. Им были

сформулированы идеи об относительности движения, установлены

законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной

плоскости, сложения движений. Галилей показал, что воздействие

на тело окружающих тел, определяет не скорость тела, а его

ускорение; фактически он открыл два первых закона Ньютона.

Столь же велики его заслуги в области астрономии. С помощью

построенного своими руками телескопа он открыл горы на Луне,

спутники Юпитера, фазы Венеры, темные пятна на Солнце. О

Галилее, о его трагической судьбе, о его научных исследованиях

и изысканиях написано очень много трудов.

Вряд ли сейчас кто-нибудь вспоминает о том, что Галилей

является автором идеи современных маятниковых часов. До него

создавалось огромное количество часов, работающих на разных

принципах. Все они были недостаточно точны и не позволяли

измерять малые интервалы времени - секунды (в то время даже не

было понятия о таких малых промежутках времени). Для

проведения своих опытов Галилею требовалось измерять время с

большой точностью. Он открыл и разработал принцип изохронности

колебаний маятника, который положил в основу секундомера. В

камне, качающемся на веревке, Аристотель видел лишь

сдерживаемое веревкой падение, а Галилей увидел периодический

процесс.

Говоря об основоположниках классической физики нельзя

пройти мимо Рене Декарта (1596-1650). Французский философ,

математик, физик, он заложил основы аналитической геометрии,

его имя носит система координат. Он ввел в математике понятие

переменной величины и функции, а также ввел множество

алгебраических обозначений. В физике он ввел понятие импульса

и высказал закон его сохранения. Наибольшую известность

получили его работы в области познания.

Основное достижение физики 17-го века - это создание

классической механики. Исаак Ньютон (1643-1727) в своем труде

"Математические начала натуральной философии" (1687)

сформулировал и дал математическую трактовку всем основным

законам этой науки, которые дошли практически без изменений до

наших дней. Классическая механика лежит в основе многих

физических и технических дисциплин, которые изучаются и в наше

время специалистами в области науки и техники. Астрономические

наблюдения поведения небесных тел в 18-19 веках и открытия

новых планет солнечной системы стали блестящими

подтверждениями учения Ньютона. Не будем сейчас

останавливаться на основных концепциях ньютоновской теории, а

вернемся к ним в следующих разделах курса, при изучении

законов механического движения.

Благодаря работам Ньютона, основанным на многочисленных

экспериментах и наблюдениях, а также на специально

разработанных Ньютоном математических методах (методе

дифференциального и интегрального исчисления) было

окончательно установлено, что задача естественной науки

состоит в отыскании наиболее общих количественных формулировок

законов природы.

Работы ученых 18-го века продолжили поиски наиболее общих

формулировок движения систем, материи. Были заложены основы

механики твердого тела, акустики, гидродинамики, теплоты. В

1788 году французский ученый Ж.Л. Лагранж (1736-1813) вывел

уравнения механики в наиболее общем виде, получив так

называемые уравнения Лагранжа. С их помощью поведение системы

описывалось через поведение ее энергии. Эти уравнения до сих

пор используются в современных разделах физики - в квантовой

механике и электродинамике.

К концу 18-го века была создана единая механистическая

картина мира, согласно которой все многообразие мира -

результат движения атомов и тел, из которых они состоят и

движение которых подчиняется законам Ньютона. Объяснение

наблюдаемых физических явлений считалось научным и полным,

если их удавалось описать на основе теории Ньютона.

Естественно, такие "шоры" не могли устраивать пытливые умы

исследователей. Один из интересных эпизодов истории физики

относится к теории света. В 17-м веке были выдвинуты две

гипотезы. И.Ньютон полагал, что свет - это поток частиц,

корпускул, движение которых определяют его свойства и законы.

Другой ученый Х.Гюйгенс (1629-1695) считал, что свет - это

волны, распространяющиеся в пространстве. Следствием теории

Ньютона было то, что скорость света в среде [pic], где [pic] -

скорость света в вакууме, а [pic] - коэффициент преломления

света. Из теории Гюйгенса же, следовало, что [pic]. Очевидно,

что различие этих формул носит принципиальный характер. Однако

из-за слабого развития экспериментальной базы вплоть до второй

половины 19-го века проверка этих формул была невозможной.

В 1818-м году французский ученый О.Ж.Френель написал

работу на конкурс Французской Академии наук. В основе теории

распространения света он положил волновые свойства. Один из

членов жюри - Пуассон "усомнился" в правильности выводов

теории. Из теории Френеля следовало, что в центре тени,

отбрасываемой предметом на экран обязательно должно быть

светлое пятно. Налицо было даже не количественное, а

качественное расхождение с известными фактами. Видимо даже

сегодня большинству из нас такое пятно кажется нереальным.

Однако, в специально поставленных экспериментах Д.Араго (1786-

1853) это пятно было обнаружено и, тем самым, подтверждены

выводы теории Френеля. Эти опыты перевернули обыденные

представления о свойствах света и перевели почти всех

противников волновой теории Френеля, даже самых “маститых” в

число ее сторонников. Началось победное шествие волновой

теории света. В 50-х годах 19 века были проведены эксперименты

по определению скорости света в среде, которые подтвердили

справедливость формулы [pic]. Однако история физики полна

парадоксов. Наблюдаемое пятно теперь называется "Пятном

Пуассона", т.е. носит имя человека, усомнившегося в его

существовании.

К началу 19-го века были сформулированы простейшие законы

в области теплоты, электричества, магнетизма. Уже были

накоплены сведения о макроскопических свойствах твердых тел,

изучены температурные зависимости поведения твердых тел и

газов. Основные достижения физики 19-го века были оформлены в

стройных, непротиворечивых теориях электромагнитных волн и

теплового движения атомов и молекул. Сейчас эти разделы физики

называют классической электродинамикой, термодинамикой и

статистической физикой.

Ко второй половине 19-го века благодаря достижениям таких

ученых, как А.Вольта (1745-1827), Ш.О.Кулон (1736-1806),

Э.К.Эрстед (1777-1862), Ж.Б.Био (1774-1862), П.С.Лаплас (1749-

1827), К.Ф.Гаусс (1777-1855), А.М.Ампер (1775-1836), М.Фарадей

(1791-1867), Г.Р.Герц (1857-1894) и многих других,

электрические и магнитные явления были уже так хорошо изучены,

что оказалось возможным построить единую стройную теорию

электромагнетизма. Творцом классической электродинамики стал

Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879). Максвелл написал систему

уравнений, описывающих взаимодействие подвижных и неподвижных

зарядов, электрических и магнитных полей и процесс

распространения переменных электромагнитных полей в

пространстве. Следствием уравнений Максвелла стал факт

постоянства скорости распространения электромагнитных волн,

который не был объяснен в рамках теории Максвелла.

Решающий вклад в становление и развитие термодинамики и

статистической физики внесли Д.К.Максвелл, Д.У.Гиббс (1839-

1903), Г.Л.Гельмгольц (1821-1894), Л.Больцман (1844-1906),

Р.Клаузиус (1822-1888) и ряд других ученых, одно перечисление

которых, даже без упоминания работ, заняло бы не одну

страницу. Во второй половине 19-го века были сформулированы

первое и второе начала термодинамики, сформулированы основные

законы молекулярно-кинетической теории газов и твердых тел,

развит вероятностный метод подхода к описанию тепловых

явлений.

Существенно, что термодинамика и статистическая физика

базировались на утверждении, что движение атомов и молекул

описывается классической механикой. В основе всех теорий лежал

тезис о непрерывности всех процессов в природе. Принципиально

новых положений при описании движения на атомно-молекулярном

уровне по сравнению с классической механикой не вводилось.

Экспериментальные основы нового этапа развития физики были

заложены на рубеже 19-20-х веков. Двадцатые годы нашего

столетия принято считать началом нового третьего этапа

развития физики - этапа квантовой физики. Перечислим лишь

некоторые явления и открытия, которым не было места в рамках

старых механистических теорий, и которые перевернули старую

физику. Упомянем излучение разреженных газов и нагретых

твердых тел, открытие электрона, явления радиоактивности,

фотоэффекта, атомного ядра и, наконец создание теории

относительности.

Началом атомного века можно считать две даты. Первая -

1942 год, когда под руководством Э.Ферми (1901-1954) был

запущен первый ядерный реактор и человечество впервые за свою

историю получило не энергию от Солнца, а принципиально новую -

атомную. Летом 1945 года было проведено испытание первого

атомного оружия, и это тоже веха в развитии человечества -

практическое применение нового вида энергии.

Однако этим событиям предшествовал доклад Макса Планка

(1848-1947) о полученной им новой формуле излучения в

Берлинском университете в 1900 году. Планк открыл элементарный

квант действия, новую естественную константу, и это открытие

положило начало новой эпохе в развитии физики. Оно показало,

что тезис о бесконечной непрерывности всех действий в природе

- непрерывности был заблуждением. Выяснилось, что в природе

бывают изменения, которые происходят не плавно, а скачком

"взрывообразно", как сказал сам Планк. Результатом открытия

Планка стал отказ от принципа "Natura non facit saltus"

(природа ничего не делает скачком), который владел умами

натурфилософов со времен И.Ньютона (1643-1727) и Г.В.Лейбница

(1646-1716).

Открытие Планка эпохальное, революционное. Значение его

не снижает даже тот факт, что до конца жизни сам Планк считал

кванты ни чем иным, как абстракцией, моделью, которая не имеет

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6