Физическая картина мира в ее развитии

История науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI—XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и остается сегодня наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Поэтому, когда возникло мировоззрение европейской цивилизации Нового времени, складывалась классическая картина мира, естественным было обращение к физике, ее концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она могла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX веке смогли поставить перед собой эту задачу (создание химической и биологической картин мира). Поэтому, начиная разговор о конкретных достижениях естествознания, мы начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой.

Понятие «физическая картина мира» употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания — самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира:

• — обобщает все ранее полученные знания о природе;
• — вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы (которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется).

Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира. При постоянном возрастании количества опытных данных картина мира весьма длительное время остается относительно неизменной. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и в появлении новой. В пределах данного этапа развитие физики идет эволюционным путем, без изменения основ картины мира.

Оно состоит в реализации возможностей построения новых теорий, заложенных в данной картине мира. При этом она может эволюционировать, достраиваться, оставаясь в рамках определенных конкретно-физических представлений о мире.

Ключевым в физической картине мира служит понятие «материя», на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных (прерывных, дискретных) представлений о материи к континуальным (непрерывным). Затем, в XX веке, континуальные представления были заменены современными квантово-полевыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира…

Механистическая картина мира складывается в результате научной революции XVI—XVII вв., оформляется как целостное образование к ХVIII в., и господствует на протяжении XIX в., на основе работ Г. Галилея и П. Гассенди, восстановивших атомизм древних философов, исследований Р. Декарта и обобщений И. Ньютона, завершивших построение новой картины мира, сформулировавших основные идеи, понятия и принципы.

Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая и человека, понимал как совокупность огромного числа неделимых частиц — атомов, перемещающихся в пространстве и времени.

Ключевым понятием механистической картины мира было понятие движения. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Таким образом, впервые МКМ дает научное обоснование понятию движения материи. Движение трактуется как вечное и естественное состояние тел, как основное их состояние, что прямо противоположно аристотелевским представлениям, в которых движение рассматривалось как привнесенное извне. Вместе с тем в классической механике абсолютизируется механическое движение (как перемещение тел в пространстве), к которому пытались свести все многообразие видов движения в природе.

Классическая физика выработала своеобразное понимание материи, сведя ее к вещественной, или весовой (массе). Масса является мерой инертности, при этом, она остается неизменной при любых условиях движения и при любых скоростях. Универсальным свойством тел является тяготение.

Решая проблемы взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников. Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и времени. Пространство представлялось безграничным «черным ящиком», вмещающим все тела в мире, но если бы эти тела вдруг исчезли, пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и время, также существующее абсолютно независимо от материи.

По Ньютону, пространство — это абсолютное неподвижное однородное изотропное бесконечное вместилище всех тел (то есть пустота). А время — это чистая однородная равномерная и непрерывная длительность процессов. Абсолютность времени выражается его одинаковостью во всех точках Вселенной.

В механической картине мира любые события жестко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась из этой картины мира. Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Поэтому присутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать, как ни в чем не бывало. Иначе говоря, во взглядах естествоиспытателей господствовал механистический детерминизм — учение о всеобщей предопределенности и обусловленности явлений природы. Все механические процессы в классических представлениях подчинены принципу строгого детерминизма, т. е., возможно точное предсказание поведения механической системы, если известно ее предыдущее состояние.

На основе механистической картины мира в XVIII — начале VІХ вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной.

В это же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механистической картине мира. Так, наряду с рассмотрением системы материальных точек, полностью соответствовавшей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды, связанное по сути дела, уже не с корпускулярными, а с континуальными представлениями о материи. Так, для объяснения световых явлений вводилось понятие эфира — особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи. В XIX в. методы механики были распространены на область тепловых явлений, электричества и магнетизма. Казалось бы, это свидетельствовало о больших успехах механического понимания мира в качестве общей исходной основы науки. Но при попытке выйти за пределы механики материальных точек приходилось вводить все новые искусственные допущения, которые постепенно готовили крушение механической картины мира. Аналогично световым явлениям, для объяснения теплоты, электричества и магнетизма вводились понятия теплорода, электрической и магнитной жидкости как особых разновидностей сплошной материи. Хотя механистический подход к этим явлениям оказался неприемлемым, опытные факты искусственно подгонялись под механистическую картину мира. Попытки построить атомистическую модель эфира продолжались еще и в XX веке. Эти факты, не укладывающиеся в русло механистической картины мира, свидетельствовали о том, что противоречия между становившейся системой взглядов и данными опыта оказались непримиримыми. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира.

Электромагнитная картина мира.

Явления электричества и магнетизма были известны людям давно. Древние греки интересовались природой электричества, натирая янтарную палочку кошачьим мехом («электрон» — в переводе с греческого «янтарь»). В древнем Китае был изобретен компас, хотя использовались куски руды магнитного железняка в магических мистериях. Научное осмысление этих природных явлений началось в классическом естествознании. Одним из замечательных физиков-самоучек, был Майкл Фарадей (1791−1867), он не имел систематического университетского образования, но был хорошо знаком с математикой. М. Фарадей наметил эскиз будущей теории электромагнитного поля. В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что не только тела должны быть подвергнуты исследованию, но и среда, которая их окружает. Среда у Фарадея становится специальным предметом изучения, как носитель принципиально важных процессов, передающих взаимодействие между предметами. Первоначально Фарадей предлагает понятие магнитных силовых линий, но с 1852 года вводит понятие поля. Электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механической модели эфира, несовпадении механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма.

Одним из первых идеи Фарадея оценил Д. Максвелл (1831−1879). При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира, а его теория электромагнитного поля — это лишь математическое оформление идей Фарадея.

Открытие Максвелла сравнимо по научной значимости с открытием всемирного тяготения Ньютона. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобщего закона тяготения, труды Максвелла — к введению понятия электромагнитного поля и электромагнитной природы света.

Для физики середины 19 ст. поле стало новой фундаментальной физической реальностью, которое не сводится ни к материальным точкам, ни к веществу, ни к атомам. К концу 19 в. взгляды на материю менялись кардинально:

• — совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем;
• — движение понималось не только как простое механическое перемещение;
• — первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики;
• — ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям, т. к., поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет;
• — время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле;
• — пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи. Понимание пространства и времени как абсолютных уступило место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы.

Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении. Следовательно, теорию Максвелла нельзя интерпретировать как новую (электромагнитную) картину мира, т. к., она связана с качественно новой интерпретацией одного из объектов реальности, а не с целой группой базовых понятий. Теория Максвелла выдвинула один единственный новый принцип — принцип близкодействия (силовое действие предается от точки к точке), в остальном же просто вышла за рамки МКМ, обнаружив ее очевидные противоречия и слабые стороны. Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механистической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов. К концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены «недостроенностью» электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако, убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводами, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили К. Лоренц и А. Пуанкаре, чьи работы завершают доэйнштейновский период развития физики.

Квантово-релятивистская физическая картина мира.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн (1879−1955) ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени.

Введение

в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития.

Именно так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. В этой теории, созданной в 1916 г., А. Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс. Теория относительности преодолела ограниченность механистической трактовки таких базовых понятий как пространство, время, движение, энергия, масса, но нельзя утверждать, что она отрицает (опровергает) классическую физику. Теория относительности показывает, что нельзя абсолютизировать понятия, принципы и законы классической механики, они верны лишь для определенных условий и включаются в специальную теорию относительности как ее частный случай. В этом смысле говорят, что релятивистская физика находится в отношении соответствия с классической физикой.

С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа и бета лучей (А. Беккерель, супруги Кюри,). На этой основе появились различные модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира (Э. Резерфорд, Н. Бор). Дж. Томсон в 1897 г. открывает электрон и измеряет величину его электрического заряда и массу. А в 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, т. е., квантами, позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапазоне.

В начале XX в. возникли два несовместимых представления о материи:

• — или она абсолютно непрерывна;
• — или состоит из дискретных частиц (квантов).

Физики предпринимали многочисленные попытки совместить две эти точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. И хотя такое предположение казалось странным и непонятным, именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность), и дискретность. Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга 1925 -1927 гг., создателей нового направления физики — квантовой механики. Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм — наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. К началу 30-х гг., ХХ столетия было установлено, что вещество слагается из элементарных частиц, фундаментальными являются протоны, нейтроны и электроны. В 1932 году в составе космических лучей был открыт позитрон с такой же массой, как у электрона, но с противоположным (положительным) зарядом. К концу 90-х годов число открытых частиц и античастиц приближается к 400. Многие из них не имеют прямого отношения к строению материи, их относят к т. н.: «лишним» частицам. Ученые полагают, что они возникли на первых этапах становления и образования Вселенной, когда еще не происходило образование ядер атомов, и существуют до сих пор. Все элементарные частицы обладают микроскопическими массами и размерами, сравнимыми с длинами волн де Бройля, поэтому их поведение описывается квантово-волновыми характеристиками. Элементарная частица — это квант поля, т. е., плоская либо сферическая единичная волна. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимное превращение. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Классическая физика, вырабатывая целостный взгляд на материальность мира, утверждала, что материя представлена в двух состояниях: вещество и поле. В настоящее время все еще приходится сталкиваться с принципиальной неточностью терминологического плана: понятие «вещество» отождествляют с понятием «материя». Такая неточность ведет к серьезным ошибочным заключениям. Материя — понятие самое общее, в то время как вещество — это лишь одна из форм ее существования. Современные научные знания позволяют сделать заключение, что в известном нам мире материя реализуется в тесно взаимосвязанных формах: вещество, поле и физический вакуум. Вещество состоит из дискретных частиц, проявляющих волновые свойства (вещественно-полевой континуум). Природа физического вакуума, его строение пока познаны намного хуже вещества. По современному определению, вакуум — это нулевые флуктуирующие (колеблющиеся, отклоняющиеся от нормали) поля, с которыми связаны виртуальные частицы. Здесь проявляется дуализм волновых и корпускулярных свойств. Вакуум обнаруживается во взаимодействиях с веществом на его глубинных уровнях. Вакуум и вещество неразделимы и ни одна вещественная частица не может быть изолирована от его присутствия и его влияния.

Новизна современной физической картины мира состоит в следующем:

• — Показана глубокая диалектичность природы, невозможность свести материю к прерывному либо к непрерывному, к вещественному либо невещественному, т. к., материя прерывна и непрерывна, и вещественна и невещественна, и качественна и количественна одновременно;
• — Значительно расширяется понимание движения, которое включает универсальные типы физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий:
  • 1. Гравитационное;
  • 2. Электромагнитное;
  • 3. Ядерное сильное;
  • 4. Ядерное слабое.

Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (примерно 300 000 км/с);

• — Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от характера движения материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме;
• — Важным является тезис о равенстве весовой (тяжелой) и инертной масс. Отсюда следует вывод об эквивалентности массы и энергии: энергия обладает массой, а масса превращается в энергию — (mc²);
• — Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей;
• — Квантово-полевая картина мира впервые включает в себя наблюдателя, от присутствия которого зависит получаемая картина мира. Более того, сегодня считается, что наш мир таков по своей природе, что появление и существование человека в нем стало закономерным результатом эволюции Вселенной. естествознание научный мировоззрение

Квантово-полевая (квантово-релятивистская) картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления, и с каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории. В конце 60-х годов выдвинута идея кварков, как гипотетических частиц, из которых формируются элементарные частицы (Г. Цвейг, М. Гелл-Ман). Заветная мечта всех физиков — выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют супер объединением или теорией супер взаимодействия. Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории супер струн. Пионерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.