Картина мира
1. Натурфилософия
естествознание электромагнитный максвелл природа
Практические потребности человека привели к развитию самых древних наук: астрономии и математики. За 2000 лет до н.э. жители Двуречья владели техникой решения квадратных уравнений с двумя неизвестными. Вавилонская геометрия семитского периода содержит формулы для вычисления площадей простых фигур и объемов, в клинописных текстах есть задачи на сложные проценты. Известно, что народы Египта и Двуречья умели пользоваться простейшими механическими орудиями (колесом, рычагом, наклонной плоскостью). Велись астрономические наблюдения, появляется календарь. Астрономия и математика в виде отрывочных сведений, рецептов (как и в Вавилонии и в Египте) существовала в Индии и Китае.
Следующим этапом становления естествознания было появление и развитие древней философии или натурфилософии. Она появилась почти одновременно в Индии, Китае и Древней Греции. Уже представителями первой философской школы Древней Греции (Ионийская школа) было введено понятие «первоматерии» (Фалес - вода, 585 - 525 гг., Гераклит - огонь, 530-470 гг. до н.э.). Гераклит высказал идею непрерывного изменения («все течет, в одну реку нельзя войти дважды»). Атомисты Левкипп - Демокрит - Эпикур и поэт Лукрецкий строили единую картину мира на основе представления, что все существующее состоит из атомов и пустоты. Вторая идея Демокрита - принцип причинности - мир, состоящий из атомов и пустоты, живет, следуя естественным законам, в нем действует строгая причинность и необходимость. Помимо понятия материи возникла другая идея, ставшая руководящей в развитии естествознания, - идея о существовании строгих количественных законов в природе и, в связи с этим, идея о необходимости применения математики в физических исследованиях. Эта идея зародилась в рамках пифагорийской школы в Древней Греции. Пифагор и пифагорийцы искали и нашли единство природы не в материальном, а в идеальном - в числе: в основе всех вещей лежит число, а вся вселенная есть гармония чисел.
Новый этап в развитии натурфилософии Древней Греции представляло всеобъемлющее учение Аристотеля (384-322 гг. до н.э.). В своих произведениях Аристотель затронул все естественнонаучные вопросы своего времени и пытался их объяснить, исходя их своих общих принципов. Большинство всех объяснений носило наивный характер, однако учение Аристотеля о механическом движении, несмотря на неправильность основных положений, было шагом вперед в процессе формирования механики. Он впервые поставил вопрос об изучении и классификации механического движения, благодаря этому были сформулированы основные понятия механики: скорость, сила и т.д. Аристотель подвел итог предыдущему развитию науки и философии и наметил пути их дальнейшего развития. После Аристотеля начинают развиваться как самостоятельные области знания математика и астрономия, появились зачатки физики.
Александрийский ученый Евклид (III в. До н.э.) подвел итог и обобщил в своих «Началах» все, что до него было сделано в математике, а также изложил два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения в своих сочинениях «Оптика и Катоптрика».
В развитие механики и математики большой вклад внес Архимед (287 - 212 гг. до н.э.), который решил труднейшие для своего времени задачи вычисления площадей криволинейных фигур и сыграл основополагающую роль в возникновении статики и гидростатики, а также исследовал преломление света.
Химия стимулировала становление спектроскопии, развивающуюся сначала в астрономии. Химические исследования способствовали развитию квантовой механики, теории твердого тела и других разделов физики.
После образования огромного государства арабов (VIII в.) - Халифата - получила развитие механика в трудах ученых Востока. Вопросами определения удельных весов занимался Бируни (973 - 1050 гг.) - математик географ, физик и историк из Хорезма, теорию весов и технику взвешивания развивали среднеазиатские ученые Омар Хайам (1048-1131 гг.) - величайший поэт, философ, физик и астроном и Аль-Хазини (XII в.).
Значительных успехов в древности и в средние века в Индии и Китае достигла математика. В сочинениях индийского ученого Брахмагупты (ок. 598 - 660 гг.) используется понятие отрицательных чисел.
Есть сведения, что индийские ученые пользовались методами дифференциального исчисления.
В Китае был изобретен компас (III в.).
2. Естествознание в Европе и в России
С конца ХI века начали возникать европейские научные школы. Уже в XII веке возник университет в Болонье, на рубеже XII и XIII веков - университеты в Париже, Кембридже, Оксфорде. В составе университетов обычно было четыре факультета: три старших (богословский, юридический и медицинский) и младший факультет - факультет искусств. Преподавание в университетах было пронизано средневековым религиозным философским учением - схоластикой, основанной на философских воззрениях Платона и Аристотеля и отвергавшей опыт как метод познания.
Развитие производства и накопление естественнонаучных знаний, а также появление нового класса - буржуазии, подготовило научную революцию XVI века, начавшуюся в астрономии с появления сочинения Коперника «О вращении небесных сфер». Николай Коперник отверг геоцентрическую систему Птоломея, заменив ее на гелиоцентрическую, в которой центром является Солнце.
Большое значение для того времени и последующих веков имели труды великого итальянского мыслителя, ученого, художника, архитектора и инженера эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452-1519). Он также отвергал идею, что Земля является центром Вселенной и резко критиковал схоластику за оторванность от практики, провозглашая опыт как единственный источник познания.
Как указывает В.И. Вернадский: «Тщательные исследования указывают на прямое влияние на научную работу идей, сохранившихся в рукописях Леонардо да Винчи, столетие позже их написания. Можно проследить его влияние на трудах XVII столетия Галилея или Паскаля».
Горячий последователь учения Коперника итальянский мыслитель и ученый Джонардо Бруно учил, что Вселенная бесконечна и включает бесчисленное множество миров, подобных нашей солнечной системе, за что и поплатился жизнью. Дальнейшее развитие идеи Коперника получили в трудах другого итальянского ученого Галилео-Галилея (1564-1642 гг.) - одного из основателей экспериментальной науки о природе - естествознания.
Исследования Галилея, труды Декарта, Гюйгенса, Лейбница, Кеплера и других подготовили почву для возникновения классической механики Ньютона, основы которой он изложил в 1687 году в труде «Математические начала натуральной философии». Благодаря этим трудам сформировалась механистическая (механическая картина мира).
3. Механическая картина мира (классическая, универсальная)
МатерияВещество, состоящее из дискретных корпускулДвижениеЕдинственная форма движения - простое механическое перемещениеАбсолютность пространства и времениПространство (трехмерно, не зависит от материи) Время (не зависит ни от пространства, ни от материи) Пространство и время не связаны с движущейся материейПринципыДальнодействия - взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться с какой угодно скоростью
В истории естествознания важную роль сыграло блестяще сформулированное выдающимся математиком и механиком П.С. Лапласом жесткое понимание детерминизма, согласно которому каждая причина влечет за собой единственно возможное следствие.
Своего расцвета жесткий детерминизм достиг в механической научной картине мира, согласно которой считалось, что все причинно-следственные связи в мире описываются законами механики, позволяющими по заданному начальному состоянию любой материальной точки точно и однозначно рассчитать ее будущую (или предыдущую) траекторию на сколь угодно продолжительный промежуток времени.
Механический детерминизм - концепция, согласно которой будущее Вселенной однозначно предопределено ее нынешним состоянием и законами механики, - опирался на математическую теорему, гласящую, что если начальное состояние материальной точки задано (то есть известны ее координаты и скорость для одного и того же момента времени, принимаемого за начальный), то уравнения механики имеют одно и только одно решение, описывающее единственно возможную траекторию будущего движения этой материальной точки.
Но в XX веке в квантовой механике выяснилось, что одновременное и точное измерение координат и скорости материального объекта невозможно в принципе! Таким образом, основное предположение, на котором покоилась концепция механического детерминизма, в реальности оказалось невыполнимым.
Детерминизм (лат. determine - определяю) в краткой интерпретации означает, что, если известны начальные условия системы, можно, используя законы природы, предсказать ее конечное состояние.
Случайность - это явление, причина которой пока неизвестна.
Жесткую причинно-следственную связь событий критиковал еще Эпикур. Этическую неприемлемость концепции детерминированного движения атомов Эпикур выразил словами «Смерть не имеет к нам никакого отношения, так как, когда мы существуем, Смерть еще не существует, а когда смерть присутствует, тогда мы не существуем».
Развивая учение детерминизма, Эпикур заявил, что атомы различаются по массе и это было подтверждено после открытия системы Д.И. Менделеева, и в отличие от Демокрита он считал, что атомы движутся по строго заданным траекториям, и поэтому все в мире предопределено заранее. Эпикур полагал, что движение атомов в значительной степени случайно, и, следовательно, всегда возможны различные варианты развития событий.
4. Естествознание в России
Естествознание в России, в силу известных исторических условий, начало развиваться позднее, чем на Западе. Обратимся к высказываниям В.И. Вернадского: «Очаги точного научного знания XVII столетия кончались в Западной Европе за сотни верст от Московской границы, ближайшими городами, где шла в это время научная творческая работа, были Стокгольм, Данциг». В.И. Вернадский отмечает, что поместное дворянство и духовенство в Западно-Европейских государствах внесло значительный вклад в развитие и распространение естествознания, в то время как русское поместное дворянство и духовенство оставило след в области искусства, но слишком мало дало русскому естествознанию.
Наука в России появилась в эпоху Петра I, как необходимое условие выполнения его реформ. Эта эпоха характеризуется как начало развития о теплоте, электричестве и магнетизме, а также как начало развития аналитического аппарата механики Ньютона и волновой теории оптики.
Неоценимое значение для развития естествознания того времени имели труды М.В. Ломоносова. В.И. Вернадский называл Ломоносова «провозвестником» ХХ века в области науки о мертвой природе. «Физика, химия, геология, геофизика, физическая химия были полем его самостоятельной мысли. Как геофизик Ломоносов не оценен до сих пор».
В развитие аналитического аппарате механики большой вклад внес Л. Эйлер, академик Петербургской Академии наук. В XVIII веке были (в общих чертах) сформулированы законы сохранения импульса, момента импульса и энергии, и получили развитие вариационные принципы механики.
5. Естествознание в XIX-XX веках
В конце XVII и в начале XIX столетий было сделано много важных открытий и обобщений в физической химии. Шееле в Швеции (1773 г.) и Фонтана во Франции открыли адсорбцию газов. В 1799 году Гальвани и Вольта в Италии создали гальванический элемент. В 1880 Деви выдвинул электрохимическую теорию взаимодействия веществ: он широко применил электролиз для химических исследований.
В XIX столетии М. Фарадей (ученик Деви) сформулировал количественные законы электролиза, а в 1831 году открыл закон электромагнитной индукции, что ускорило развитие электродинамики и появление электродвигателей и электрогенераторов.
Б.С. Якоби в России в 1836 году открыл гальванопластику.
Химия стимулировала становление спектроскопии, развившуюся сначала в астрономии. Химические исследования способствовали развитию квантовой механики, теории твердого тела и других разделов физики.
Капиталистические производственные отношения и капиталистический базис способствует (в первой половине XIX в) прогрессу естествознания, быстро развиваются все разделы физики, особенно оптика, а также учение об электричестве и магнетизме. В этот период закладываются основы волновой оптики, теории дифракции, интерференции и поляризации. В учении об электричестве и магнетизме возникает новый, быстро развивающийся раздел - учение об электромагнетизме. К середине XIX в. были открыты законы Кулона, постоянного тока (законы Ома и Джоуля-Ленца), Ампера, электромагнитной индукции и др.
Открытия естественных наук, изучение связей между различными явлениями завершается в рассматриваемом периоде (конец XVIII - первая половина XIX в.) установлением закона сохранения и превращения энергии. В XIX в. получает развитие кинетическая теория газов, термодинамика и статическая физика в трудах Р. Клазиуса, Кельвина (Томсона), Карно, Гиббса, в работах Д. Максвелла и Л. Больцмана и др., а также Неевклидова геометрия (Н.И. Лобачевский, Риман и др.)
Обобщение открытий в электродинамике завершилось развитием теории электромагнитного поля, созданной Д. Максвеллом, которая послужила толчком для создания релятивистской теории.
На основе этих открытий была сформирована электромагнитная картина мира.
6. Электромагнитная картина мира
Полевая (от слова - поле), континуальная (непрерывная) модель реальности
Материя (две формы материи)Вещество и единое непрерывное поле с электрическими зарядамиДвижениеНе только перемещение зарядов, но и изменение поля (распространение волн). Форма движения - механическое и волновое (распространение колебаний в поле, описываемые законами электродинамики)Относительность Пространства и времениПространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материиПринципыБлизкодействия - любые взаимодействия передаются полем (электромагнитным, гравитационным) от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью (скоростью света)В развитие теории относительности внесли большой вклад Лоренц и Пуанкаре. Эйнштейн сформулировал основные положения специальной теории относительности в работе: «К электродинамике движущихся тел», опубликованной в 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik». К 1911 г. Эйнштейн уже приходит к результатам и идеям, которые легли затем в основу общей теории относительности. Он подчеркивает, что две системы отсчета, одна из которых движется ускоренно, а другая хотя и покоится, но в ней действует однородное поле тяготения, эквивалентны и неразличимы. При распространении принципа эквивалентности систем на оптические явления Эйнштейн предсказал отклонение светового луча под действием однородного поля тяготения и возникновения явления красного смещения. Построение общей теории относительности, в которой Эйнштейн использовал понятие и математический аппарат неевклидовых геометрий, он закончил в 1916 г.
Благодаря созданию специальной теории относительности были очерчены границы применимости классической механики Ньютона: соотношение классической механики Ньютона справедливы только при скоростях движения объекта (v), значительно меньших скорости распространения света в вакууме (с), т.е. v << c
В специальной теории относительности сформулированы два принципа:
принцип постоянства скорости света (скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника света);
принцип эквивалентности инерциальных систем отсчета (принцип относительности) - расширение принципа относительности Галилея (все законы механики протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета) - все физические законы протекают совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
В начале XX века развитию идеи о сложном строении атома способствовало открытие Д.И. Менделеевым периодического закона, атомная и ядерная физики развиваются далее в трудах Бора, Резерфорда, Дж. Томсона, Паули и др. К 30 годам XX века была в основном сформулирована нерелятивистская квантовая механика, основой которой послужили гипотезы Планка и де Бройля, идеи Эйнштейна, Гейзенберга, Паули и уравнение Шредингера (1926 г.).
Дальнейшим развитием электромагнитной картины мира явилась квантово-полевая картина мира.
. Квантово-полевая картина мира (современная, неклассическая)
Квантово - полевые представления
МатерияФормы материи - вещество, физическое поле, физический вакуум Корпускулярные и волновые свойства. Корпускулярно-волновой дуализм - каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы. Но не одновременно.ДвижениеЭволюция как универсальная форма движения материи Частный случай физического взаимодействияПринципыНеопределенности (Гейзенберга) - частица не может иметь одновременно и точную координату и определенную соответствующую проекцию импульса. Дополнительными друг к другу величинами являются координата и импульс Дополнительности (Бора) - наличие информации об одних физических величинах неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополняющих первые
I. Принцип дополнительности сформулирован Н. Бором (1927 г.). Согласно этому принципу наличие информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарная частица, атом, молекула) неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополняющих первые. Такими величинами, например, являются координата частицы и ее скорость (или импульс).
В более широкой трактовке, согласно этому принципу, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.
Принцип дополнительности Бор рассматривал как методологический принцип, в широкой трактовке этот принцип означает, что описывать физический объект, относящийся к микромиру, нужно во взаимоисключающих, дополнительных системах, например, одновременно и как волну, и как частицу.
Посмотрим, говорил Бор, с этой точки зрения на то, сводятся ли биологические закономерности к физико-химическим процессам?
Нет, закономерности живой материи, хотя и определяются законами физики и химии, но не сводятся к ним. Бор обосновывает мысль, что два подхода - биологический и физико-химический - дополнительны.
В физике количественным воплощениям общего принципа дополнительности Бора явилось соотношение неопределенностей Гейзенберга.
Принцип неопределенности (соотношение неопределенностей Гейзенберга, открыт в 1927 г.).
Объект микромира невозможно одновременно с заданной точностью характеризовать координатой и импульсом. В классической механике частица движется по определенной траектории и в любой момент точно фиксированы ее координата и импульс. Согласно соотношению неопределенности Гейзенберга частица не может иметь одновременно и точно определенную координату (х, у, z) и определенную соответствующую проекцию импульса (Рх, Ру, Рz).
Нерелятивистское уравнение квантовой механики Шредингера играет в этой науке такую же роль, какую II закон Ньютона играет в классической механике (который является уравнением движения макрообъекта).
Релятивистское уравнение квантовой механики написал Поль Дирак.
В XX веке в квантовой механике выяснилось, что одновременное и точное измерение координат и скорости материального объекта невозможно в принципе! Таким образом, основное предположение, на котором покоилась концепция механического детерминизма, в реальности оказалось невыполнимым.