Карпенков С. Основные концепции естествознания

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 3. Физические принципы и концепции описания природы

3.1. Физика — фундаментальная отрасль естествознания

Огромное ветвистое древо естествознания выросло не сразу - оно медленно произрастало из натурфилософии — философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природы, рассматриваемой в ее целостности. Ранняя древнегреческая натурфилософия досократовского периода активно развивалась, в ионийской школе и явилась по существу первой исторической формой философии вообще. Ионийская школа древнегреческой философии, отличающаяся стихийно-материалистическими взглядами, возникла в VI- V вв. до н. э. в ионийских колониях Греции. Ее представители - крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен (Милетская школа), Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский - руководствовались основной идеей о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи.

Интерес к природе как объекту, познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрождения. Этот расцвет связан с Дж. Бруно, Б. Телезио, Т. Кампанеллой и другими известными мыслителями. Особое развитие натурфилософия получила в немецкой классической философии Фридриха Шеллинга (1775- 1854), взгляды которого основывались на принципах объективно-идеалистической диалектики природы как живого организма.

Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастическими представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалектической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспериментального естествознания и прежде всего физики привело к постепенному вытеснению натурфилософии естественно-научными знаниями, базирующимися на опытах, на экспериментальных данных. Так в недрах натурфилософии зарождалась физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. На стыке физики и других естественных наук возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т.д.

Слово "физика" появилось еще в древние времена. В переводе с греческого оно означает "природа". Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля (384- 322 до н. э.), ученика Платона, так и называлось "Физика". Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал:

Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движении, а кроме того, начала такого рода бытия.

Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира

- так считал А. Эйнштейн.

Одна из задач физики - выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др. Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Но при изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему. При этом устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки.

Учитывая определяющую роль физики и ее значение в науке, ее называют основой и лидером современного естествознания. Физика занимает особое место среди естественных наук.

Вопросами классификации и иерархии многочисленных естественных наук занимались ученые разных времен. Так, одна из первых попыток классификации естественных наук была сделана выдающимся французским физиком Андре Мари Ампером (1775- 1836). Уже к тому времени общее число естественных наук насчитывалось более 200. Общую картину наук о природе он представил в виде единой системы, состоящей из различных по характеру и глубине идей, а также из разных экспериментальных сведений. В такой классификации физика располагалась на первом уровне как наука наиболее фундаментальная, а химия - на втором, как бы вытекающая из физики.

Гораздо позднее - в середине XIX в. - на основе тщательного изучения истории развития наук немецкий химик Фридрих Кекуле (1829 - 1896) предложил иерархию естественных наук в форме четырех ее последовательных основных ступеней: механика, физика, химия, биология. В такой иерархии можно рассматривать молекулярную физику и термодинамику (учение о теплоте) как механику молекул, химию - физикой атомов, а биологию - химией белков или белковых тел.

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

• древний и средневековый,

• классической физики,

• современной физики.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом.

Начало второго этапа - этапа классической физики - связывают с одним из основателей точного естествознания - итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца XIX в.

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858- 1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики - этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

3.2. Концепции атомизма и универсальность физических законов

В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из атомов.

В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856- 1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

Так постепенно, шаг за шагом, современная физика открывала совершенно новый мир физических объектов - микромир или мир микроскопических частиц, для которых характерны преимущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой.

К двум совершенно разным объектам - микромиру и макромиру - можно добавить и мегамир - мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пределами Земли.

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта

или видимой нами Вселенной 1026

Диаметр нашей Галактики 1021

Расстояние от Земли до Солнца 1011

Диаметр Солнца 1011

Размер человека 100

Длина волн видимого света 10-6 - 107

Размер вирусов 10-6 – 10-8

Диаметр атома водорода 10-10

Диаметр атомного ядра 10-15

Минимальное расстояние, доступное

сегодня нашим измерениям 10 -18

Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь "мир наш - только школа, где мы учимся познавать", - так сказал французский философ-гуманист Мишель Монтень (1533- 1592).

На примере развития классической механики можно убедиться в том, насколько длинный и тернистый путь лежит между аристотелевским противопоставлением земных и небесных явлений и представлением об универсальности законов механики и, в частности, закона всемирного тяготения, в одинаковой мере применимого как для земных, так и для небесных тел.

Универсальность физических понятий и законов заключается в том, что они применимы ко всему миру, доступному нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов. Атомы везде одинаковы - на Земле и в космосе. Это подтверждается результатами исследований в космосе и наблюдаемыми спектрами электромагнитного излучения различных космических объектов. Законы сохранения импульса и энергии применимы для описания не только для движения тел на Земле, но и взаимодействия элементарных частиц, а также движения планет и звезд. Универсальность физических законов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

3.3 Фундаментальные взаимодействия

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

гравитационное,

электромагнитное,

сильное,

слабое.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами - гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле - при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами.

Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 3.1).

Таблица 3.1

По данным табл. 3.1 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая, поэтому радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи. Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.

3.4. Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире

Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение g микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Но если рассматривать материю в целом, во всех доступных и потенциально возможных формах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах, с этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядоченном строении каждой системы. Эта структура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях.

В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других космических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либо же различные аспекты последней, как они представляются через содержание принятых моделей.

В неживой природе множество объектов будет целостной системой лишь в том случае, если энергия связи между ними больше суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникает или распадается. Энергия внутренних связей - это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, т. е. "растащить" систему. Поскольку эта энергия не может возникнуть из ничего, и каждый из элементов существует в некоторой "потенциальной яме", то стабильность и целостность систем оказываются косвенно обусловленными действием закона сохранения энергии.

Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные силы, во много раз превышающие гравитационные. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы.

В случае же элементарных частиц энергия внутренних связей сопоставима с их собственной энергией, что можно использовать для определения элементарных частиц: они представляют собой такие микрообъекты, у которых энергия внутренних связей сопоставима с их собственной энергией и которые взаимодействуют как единое целое во всех доступных измерениям микропроцессах.

3.5. Принцип тождественности

Особенности и специфика взаимодействий между компонентами сложных микро- и макросистем, а также внешних взаимодействий между ними приводят к громадному их многообразию. Для микро- и макросистем характерна индивидуальность: каждая система описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств. Можно назвать существенные различия между ядром водорода и урана, хотя оба они относятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя эти планеты принадлежат одной и той же Солнечной системе.

Однако можно говорить о тождественности элементарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о принципиально неразличимых частицах - чисто квантово-механическое. Тождественные частицы подчиняются принципу тождественности.

Принцип тождественности - фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние.

Принцип тождественности - одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике всегда можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности.

Состояние частицы в квантовой механике описывается волновой функцией, позволяющей определить лишь вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. В случае неопределения в пространстве волновых функций двух или более тождественных частиц нет смысла говорить о том, какая из них находится в данной точке;

имеет смысл говорить лишь о вероятности нахождения в этой точке одной из тождественных частиц.

Эмпирическим фактом, который и составляет сущность принципа тождественности, является то, что в природе различают лишь два класса волновых функций для систем тождественных частиц: симметричные волновые функции, у которых при перестановке пространственных и спиновых координат любой пары тождественных точек волновая функция не изменяется, и антисимметричные волновые функции, при аналогичной перестановке изменяющие знак.

Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций для системы тождественных частиц приводят к важнейшему квантовому эффекту, не имеющему аналога в классической теории, - существованию, обменного взаимодействия. Одним из первых успехов квантовой механики было объяснение Гейзенбергом наличия двух состояний атома гелия - орто- и парагелия, основанное на принципе тождественности.

3.6. Проблема создания единой фундаментальной теории

В классификации многочисленных известных к настоящему времени элементарных частиц гипотеза кварков оказалась довольно плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные элементарные частицы, но и предсказать новые, а также объяснить многие их свойства. Естественно, что были предприняты попытки обнаружения кварков. Появилось несколько сенсационных сообщений об экспериментальном наблюдении кварков. Однако впоследствии они не подтвердились,

По-видимому, кварковая модель будет в дальнейшем постоянно уточняться, и, возможно, на смену ей придет более совершенная теория структуры элементарных частиц. В пользу этого предположения свидетельствуют наделение кварков все более новыми свойствами, гипотеза о существовании восьми типов безмассовых глюонов, "склеивающих" кварки в частицы, а также проблема создания единой теории четырех видов фундаментальных взаимодействий, соединения физики микромира и космологии. На каждом более глубоком уровне структуры материи обнаруживаются новые необычные свойства и законы движения ее, обогащающие наше познание ее структурной бесконечности.

Положение, сложившееся в современной физике элементарных частиц, напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869г. Д.И. Менделеевым периодического закона. Хотя физическая сущность этого закона была выяснена только спустя примерно 60 дет, после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем систематика в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и их свойств.

Однако установление систематики элементарных частиц, как отметил выдающийся физик-теоретик И.Е. Тамм (1895- 1971),

... Отнюдь не решит фундаментальной проблемы понимания всех законов микромира. Это понимание, очевидно, придет, только когда будет создана новая физическая теория... Сейчас мы подходим к новому этапу познания фундаментальных законов строения природы, из которых, как частный случай общего, должны будут вытекать и квантовая теория, и теория относительности, и теория Ньютона... Но тот факт, что громадная армия экспериментаторов и теоретиков во всем мире работает на этом передовом для физики фронте, позволяет надеяться, что это время не за горами.

Крупным шагом в познании микропроцессов явилось создание единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Перед физикой стоит важнейшая задача создания единой теории взаимодействий, включающих в себя также сильные, а в перспективе и гравитационные взаимодействия. По-видимому, такое "великое объединение" потребует синтеза теории элементарных частиц, квантовой хромодинамики и научной космологии, релятивистской астрофизики. Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий позволит обеспечить концептуальную интеграцию современных данных о природе, хотя на этом физическая наука на закончится, ибо материя неисчерпаема и бесконечна в своей структуре, как практически необозримы пути технического применения физики и развития прикладных физических дисциплин.

Вопросы и темы для размышления

1. В чем заключается основная задача физики?

2. Назовите основные этапы развития физики.

3. В чем сущность концепции атомизма? Кто ее впервые предложил?

4. Кто и когда открыл электрон?

5. Что такое универсальность физических законов?

6. Назовите основные виды фундаментальных взаимодействий и охарактеризуйте их.

7. Назовите основные структурные образования в микро-, макро- и мегамире.

8. Сформулируйте принцип тождественности.

9. Охарактеризуйте кратко проблему создания единой фундаментальной теории.

Тема 1. Развитие концепции атомизма.

Тема 2. Фундаментальные взаимодействия и многообразие структур в микро-, макро- и мегамире.

Рекомендуемая литература

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М, 1997.

Философские вопросы естествознания. - М.: Изд-во МГУ, 1985
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука