Формирование представлений о веществе и поле в физике и науке

  • Вид работы:
    Реферат
  • Предмет:
    Биология
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    13,83 Кб
  • Опубликовано:
    2016-12-27
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Формирование представлений о веществе и поле в физике и науке

Введение

Было много попыток четко разделить такие понятия, как вещество и поле. Однако оказалось, что это достаточно сложная задача. Вначале полагали, что особенность вещества состоит в обладании им массы покоя. Но массой обладают и частицы поля. Для того чтобы различить поле и вещество, стали говорить о том, что частицы поля обладают лишь массой движения, в то время как частицы вещества обладают и массой покоя. Между тем известно, что частицы вещества обладают не только массой покоя, но и массой движения. К тому же такие частицы поля ядерных сил как пи - мезоны также обладают массой покоя. Долгое время считалось, что фотоны- кванты электромагнитного поля и нейтрино, порождаемые слабым взаимодействием, не имеют массы покоя. Однако более точные измерения показали, что нейтрино такую массу имеет. Правда, она очень мала. Но поскольку число нейтрино в космосе очень велико, то их вклад в общую массу покоя тоже достаточно велик. Естественно предположить, что и фотоны имеют массу покоя, хотя и очень маленькую. Современные измерительные процедуры, измерительная техника не позволяют произвести замеры с необходимой точностью. Поэтому, если раньше просто утверждали, что фотоны не имеют массы покоя, то теперь более точно будет сказать, что если они имеют массу покоя, то она меньше вполне определенной конечной величины.

Таким образом, оказалось, что несмотря на все различие между полем и веществом, абсолютной грани между ними не существует. Любое свойство вещества присуще и полю. И наоборот, любое свойство поля можно рассматривать как свойство вещества. Однако эти свойства между полем и веществом распределены по-разному. То свойство, которое максимально в веществе, минимальным образом представлено в поле, а то, которое максимально в поле, минимально представлено в веществе.

1. Формирование представлений о веществе и поле в физике

Исторически исходным основным понятием всех физических концепций было вещество. Пустота при этом имела лишь тот смысл, что благодаря ее существованию частицы вещества могли двигаться и образовывать различные пространственно-временные структуры. Поэтому пустота в физике Нового времени не рассматривалась в качестве физической реальности. Если говорили о ее свойствах, то лишь как о свойствах пространства.

Тот факт, что в атомистических моделях газа, жидкости и твердого тела решающее значение имели свойства атомов, то есть свойства вещества, был как бы доказательством, что механические модели, отражающие взаимодействие частиц вещества, характеризуют наиболее фундаментальные свойства физической реальности.

Лишь в XIX веке наряду с атомами появилась вторая субстанция - эфир, которую ввели также для того, чтобы при помощи взаимодействий в веществе объяснить свет и электромагнитные колебания вообще. Между тем математическое описание электромагнитных процессов привело к необходимости отображать поле в форме магнитных линий, располагающихся в пространстве безотносительно к веществу. Если вначале такое описание поля считалось лишь формальным, то со временем выяснилось, что в пустом пространстве действительно материализуются магнитные линии, которые можно экспериментально обнаружить. Несостоятельность механических моделей эфира дополнила аргументацию в пользу признания электромагнитного поля как самостоятельной реальности. Затем выяснилось, что любые взаимодействия осуществляются через соответствующие поля: гравитационные - через поле тяготения, электромагнитные - через процессы в электромагнитном поле, внутриядерные - через ядерные поля.

Для электромагнитных полей и полей ядерных сил вскоре были выяснены их частицы, посредством которых эти поля существуют и осуществляют взаимодействие. Естественно было предположить, что и поле тяготения также состоит из частиц, которые стали называть гравитонами.

Для понимания как поля, так и вещества, и особенно для понимания их взаимодействия, необходимо учитывать тождество их свойств. Эта необходимость следует из того, что всякое взаимодействие происходит лишь по тождественным свойствам.

Трудности в понимании поля и вещества усложняются тем, что всякое взаимодействие опосредуется виртуальными частицами. Само название этих частиц содержит противоречие с точки зрения существования. Ведь виртуальность означает возможность. Но взаимодействие, которое опосредуется этими частицами, не является просто возможным, оно вполне реально. Таковы, например, виртуальные пи - мезоны, в силу обмена которыми сохраняется устойчивость атомных ядер. Эта устойчивость вполне реальна, и она проявляется как качественно, так и количественно. Но какой смысл имеет понятие существования виртуальных частиц, до сих пор остается спорным. Ведь признание их существования порождает противоречие в самих основах фундаментальных физических концепций. Согласно методологии физического знания, существует то, что может быть обнаружено экспериментом или наблюдением. Между тем обнаружение виртуальных частиц невозможно вследствие существования принципа неопределенности. Бытие виртуальных частиц столь кратковременно, что принцип неопределенности исключает саму возможность их обнаружения. Если все же они были бы обнаружены, то это привело бы к отказу действия закона сохранения энергии. Но этот закон играет столь важную роль в физических процессах и в теоретических моделях описания этих процессов, что отказ от него привел бы к разрушению самой основы современной физики и ее экспериментальной базы.

Если подойти к этой проблеме с точки зрения философской концепции движения, то ситуация представляется не столь неразрешимой. Важно подчеркнуть, что виртуальные частицы всегда выполняли специфическую роль. Они опосредуют взаимодействие, а, следовательно, опосредуют противоречие, каким является всякое взаимодействие. Но взаимодействие есть движение и, следовательно, оно противоречиво. А это означает, что оно отображается взаимно противоположными, взаимоисключающими понятиями. Простейшим выражением этого противоречия является утверждение единства бытия и небытия. Виртуальные частицы как существуют, так и не существуют. В частности, они существуют в одном отношении и не существуют в другом. Поскольку ими реально обмениваются частицы, образующие, например, ядра атомов, что проявляется в устойчивости ядра, они существуют, обладают бытием. Но поскольку время их существования столь мало, что никаким физическим экспериментом непосредственно в силу принципа неопределенности они не могут быть обнаружены, то они не существуют. В сущности, это то же противоречие, которое было обнаружено для механического движения еще античными мыслителями и повторно, экспериментально, открыто при изучении перемещения элементарных частиц в пространстве.

Наиболее перспективный подход при построении моделей, отображающих самые ранние стадии развития Большого взрыва, - это построение модели неустойчивости вакуума. Именно взрыв вакуума за полчаса порождает все то множество элементарных частиц, которые образуют всю массу вещества и поля нашей Вселенной. Важность таких моделей состоит в том, что они позволяют объяснить не только возникновение нашей Вселенной в процессе Большого взрыва, но и становление основных видов физических взаимодействий, то есть четырех основных физических законов. Сама возможность Большого взрыва является следствием того, что вакуум представляет собой специфическое виртуальное состояние. Он пуст не потому, что в нем нет частиц, а потому, что время их бытия столь мало, что непосредственно не обнаруживается в физическом взаимодействии. Только благодаря построению математической модели вакуума, согласно которой в вакууме непрерывно возникают и исчезают пары частиц и античастиц, можно косвенным путем экспериментально обнаружить факт поляризации вакуума, то есть бытия в нем частиц и античастиц. квантовый частица физический наука

Одним из фундаментальных принципов, объясняющих взаимодействия элементарных частиц, является принцип симметрии. Этот принцип используется для объяснения физических взаимодействий на всех уровнях организации физической реальности.

Согласно теореме Нетер, каждой симметрии соответствует закон сохранения. Правда, при этом остается неясным, что же является более фундаментальным, сами принципы сохранения, выражающие фундаментальные свойства физических взаимодействий. или симметрия, имеющая математический характер. Поскольку математические структуры по своей абстрактности и общности превосходят всякие свойства физической реальности, ведь симметрия есть не только в физических взаимодействиях, но в любых других, то естественно возникает представление о том, что физические законы сохранения - это следствие математического принципа симметрии. Правда, возможен и более общий философский подход, при котором как симметрия, так и законы сохранения выводятся из универсальности принципа противоречия.

Противоречие - это отношение противоположностей, которые взаимно обуславливают друг друга и не могут друг без друга существовать. Следовательно, отношение противоположностей симметрично, но поскольку противоположности друг без друга не существуют, то тем самым действует принцип сохранения, то есть противоположности могут лишь вместе возникать или исчезать.

Именно такое отношение обнаруживают противоположные свойства частиц. Например, их заряды положительные и отрицательные. То же можно сказать о частицах и античастицах. Поэтому казалось естественным, что в мире существует столько же частиц, сколько и античастиц. Ведь в вакууме, например, виртуальные частицы появляются и исчезают парами. Поэтому высказывались даже предположения, что в мире столько же вещества, сколько и антивещества, и поэтому не исключено, что каждая вторая звезда являются антизвездой, так же как наряду с Галактиками, состоящими из вещества, могут быть Галактики, состоящие из антивещества. Поскольку вещество и антивещество излучают одни и те же электромагнитные колебания, а именно они несут нам информацию об окружающем нас космосе, то отличить путем обычного наблюдения звезду из вещества и антивещества невозможно. Однако оказалось, что должны существовать некоторые косвенные эффекты, которые позволяют судить о том, из вещества или антивещества состоит звезда. При этом выяснилось, что все наблюдаемые звезды состоят из вещества. Таким образом. мир оказался явно асимметричным. Только модель возникновения нашей Вселенной посредством взрыва вакуума позволяет объяснить, почему наш мир асимметричен. С точки зрения отношения противоположностей мир должен быть как симметричным, так и асимметричным. Этот вывод является следствием того, что тождество противоположностей не может быть абсолютным. Абсолютность тождества противоположностей порождала бы абсолютную неопределенность. Именно это и обнаруживается в модели Большого взрыва. Хотя в этом процессе порождаются как частицы, так и античастицы, но все же античастиц немного меньше чем частиц, а это приводит к тому, что все античастицы и часть частиц аннигилируют, превращаясь в фотоны высокой энергии. Оставшиеся частицы уже не могут исчезать, так как для них нет соответствующих античастиц, без которых они не могут исчезнуть. Именно таким образом удается показать, что закон сохранения массы покоя тоже имеет вполне определенное историческое происхождение.

Правда, если принять гипотезу, согласно которой устойчивые частицы все же не обладают абсолютной устойчивостью, поскольку они сами имеют сложную структуру и существует конечная вероятность их распада, то и элементарные частицы даже без соответствующих античастиц должны исчезать. Однако время распада устойчивых элементарных частиц должно быть очень велико. Так, для, протона оно исчисляется величиной десять в тридцатой степени лет. Это означает, что протон в среднем должен существовать значительно дольше, чем существует наша Вселенная, но, конечно, при условии, что Вселенная продолжает существовать. И все же имеется возможность обнаружить экспериментально факт распада протона. Ведь число протонов в макротелах настолько велико, что вероятность распада одного или нескольких протонов укладывается в относительно короткие промежутки времени. Поэтому если, например, взять большую массу дистиллированной воды и изолировать ее, то чувствительный фотометр в конечный промежуток времени сможет зафиксировать вспышку, порождаемую распадом протона. Этот эффект будет зафиксирован лишь в том случае, если гипотеза о сложной структуре протона верна, если же подходить к протону с точки зрения закона сохранения в его классическом виде, то протон в свободном состоянии должен существовать вечно, то есть он должен быть таким же вечным, как атом Демокрита. 0днако более естественно предположить, что бытие всякого конечного объекта, в том числе и протона, конечно.

Сам факт существования поля и вещества можно рассматривать как проявление двойственной природы физической реальности. Эта двойственность представляет собой единство непрерывности и дискретности. Но поскольку эти противоположности взаимно проникают друг в друга, то и в физической реальности мы также обнаруживаем взаимное проникновение поля и вещества с точки зрения непрерывности и дискретности. Казалось бы, самым непрерывным физическим объектом является вакуум. Он ближе всего к той идеализации, которую рассматривает геометрия, используя теоремы непрерывности. Между тем, поскольку вакуум поляризуется, в нем выявляются различия, а, следовательно, дискретность. Поле вообще в первом приближении может рассматриваться как непрерывная физическая реальность. Однако квантовая механика исходит из того предположения, что всякое поле состоит из частиц. И если частицы гравитационного поля - гравитоны еще не открыты, то это лишь техническая проблема. Объективно они должны существовать. В то же время частицы вещества можно рассматривать как возбужденные состояния соответствующего поля.

Одна из фундаментальных проблем теории элементарных частиц, как теории основ всей физической реальности, состоит в выяснении единства всего многообразия элементарных частиц. Сам факт обнаружения сотен элементарных частиц требует своего теоретического объяснения. Были сделаны многочисленные попытки построить систему элементарных частиц, подобно тому как была построена система химических элементов. Такие классификации позволяют выявить различные аспекты связей элементарных частиц. Однако построить столь же универсальную систему элементарных частиц, как это сделано для химических элементов, пока не удается. Возможно, что для этого просто не хватает фактов. Наши знания в области элементарных частиц хотя и обширны, но по -видимому недостаточны для решения этой проблемы. Трудности во многом связаны с тем, что для исследования элементарных частиц приходится создавать весьма дорогостоящие экспериментальные установки, такие, например, как ускорители, и даже работающие на встречных пучках разгоняемых элементарных частиц. Несмотря на громадную мощность таких ускорителей элементарных частиц, те ускорения, которые достигаются с их помощью, остаются недостаточными для решения многих проблем, от которых зависит построение единой теории элементарных частиц.

2. Влияние представлений о веществе и поле на развитие науки

Под влиянием лидирующего направления существенно изменялись методы и исследовательские процедуры, некоторые методологические принципы получали распространение далеко за пределами физико-химического комплекса наук, приобретали общенаучную значимость.

Так, в XVII-XVIII веках явно лидировала классическая механика. Она казалась образцом, приобрела парадигмальный характер для всего естествознания; на ее основе, сначала лишь при применении законов механики для объяснения качественно иных явлений, начинает использоваться принцип редукционизма. Этот принцип в большей или меньшей степени сохраняет свое значение в методологии научного познания вплоть до середины нашего века.

Затем на первый план выдвигаются термодинамика, ее начала приобретают всеобщее значение не только для физико-химических, но и биологических процессов. В то же время теория электромагнитных процессов также приобретает завершенную теоретическую форму в работах Максвелла. Она начинает настолько доминировать в физике, что возникает редукционизм в противоположном направлении. Теперь уже не электромагнитные явления объясняют механическими моделями, а напротив, фундаментальные свойства механических взаимодействий пытаются вывести из законов электродинамики. Механическая картина физической реальности, обычно называемая механической картиной мира, заменяется электромагнитной картиной той же реальности или мира.

Сам термин «картина мира» с использованием лишь одной из наук является неточным, поскольку в действительности картина мира является результатом обобщения всей совокупности научных данных на базе философских принципов. Поэтому точнее говорить о картине той или иной формы объективной реальности, в данном случае о картине физической реальности.

В начале XX века лидирующими концепциями становятся теория относительности, с одной стороны, и квантовая механика, с другой, которые затем в какой-то мере объединяются в теории элементарных частиц.

Рассматривая эту историю смены лидирующих физических концепций и смену научных парадигм, естественно поставить вопрос, нельзя ли найти в этом прогрессивном движении научного познания какую-то закономерность, которая позволила бы осуществлять экстраполяцию научного прогресса и тем самым определять его реальные перспективы, выяснять, какие же направления могут оказаться наиболее благотворными.

По крайней мере одну из таких закономерностей нетрудно выявить. Суть ее в том, что каждый шаг качественно менявший физическую науку, хотя бы вследствие изменения лидера в ней, обязательно приводил к выдвижению на первый план одного из методологических принципов, качественно разработанных ранее в философском знании. Мы можем обнаружить это уже в классической механике.

Когда эта наука достигла своего последовательного теоретического развития, выяснилось, что в ее основе лежит отношение двух противоположностей. Это отношение кинетической и потенциальной энергии. Гамильтон и Лагранж придали этой идее строго математическую формулировку. Впоследствии выяснилось, что эти экстремальные принципы, благодаря которым удается все многообразие теоретических построений и законов, которые они отображают, вывести из противоположных принципов, и их соотношения применимы не только в механике, но и в любой другой развитой теории.

Когда-то ученые мечтали со временем найти такую универсальную формулу, из которой можно было бы вывести все законы природы. Герцен, например, верил, что такая формула может быть найдена. Теперь мы знаем, что эта мечта неосуществима, и все же та формула экстремальных принципов в их вариационной математической форме, которая вошла в науку, была введена в ее методологию благодаря механике, ближе всего к этому идеалу. Практически все основные теории, не только физические, но и в других направлениях научного познания, могут быть построены в такой форме. Правда, это не всегда может быть целесообразным, но это всегда возможно.

Редукция, как методологический принцип, широко используемый в разных направлениях науки, также вошел в научный обиход благодаря механике.

Одним из фундаментальных принципов диалектики является принцип тождества противоположностей. При рассмотрении эволюции законов движения от классической механики к теории относительности, вначале специальной, а затем и обшей, мы видели, что основной идеей при этом было последовательное обобщение принципа тождества, которое начинается с принципа относительности Галилея, который устанавливает тождество между покоем и равномерным и прямолинейным движением, с точки зрения законов механики. Затем покой и движение отождествляются по отношению ко всем физическим законам, хотя по-прежнему рассматриваются лишь инерциальные системы. И, наконец, в общей теории относительности любое механическое движение, отождествляется с покоем по отношению ко всем физическим законам. Таким образом, оказывается, что всякое расширение и углубление принципа тождества противоположностей - это революционный шаг в развитии научного познания.

Этот же принцип тождества обнаруживает свое действие как основа методологии построения теории и в квантовой механике. Выше уже отмечалось, что углубление понимания взаимосвязи поля и вещества шло по пути развития отношения их тождества. Оказалось, что вещество и поле тождественны с точки зрения наличия у них одних и тех же свойств. При этом оказалось, что теория квантово-механических процессов может быть построена, исходя из прямо противоположных принципов. Гейзенберг использовал алгебраический подход, построив матричную теорию квантовой механики. В основе этого подхода лежит принцип дискретности. Мы уже видели, что дискретность движения специфична для микропроцессов, и поэтому матричная механика Гейзенберга описывала микропроцессы, исходя из весьма существенного их свойства.

Однако Шредингер показал, что можно построить и волновую квантовую механику, но это означает, что в таком описании доминирует принцип непрерывности. Несмотря на кажущуюся противоположность этих двух форм описания квантовых явлений, оказалось, что эти две теоретические модели эквивалентны. Здесь опять-таки проявился принцип тождества противоположностей. Ведь корпускулярные и волновые свойства -это противоположные свойства микропроцессов, и тем не менее волновая и корпускулярная формы описания этих процессов оказываются тождественными, что выражается в их эквивалентности.

То, что два противоположных способа описания могут давать один и тот же результат, не является открытием лишь квантовой механики. Мало того, что эта идея была сформулирована задолго до этого в философии, практически она была реализована в математике, где также можно одни и те же утверждения доказывать, как с помощью непрерывно изменяющихся величин, так и с помощью дискретной последовательности значений, например, в теории пределов. Генетический и аксиоматический методы построения теорий, несмотря на противоположность исходных принципов, также приводят к тому, что теории, построенные с их помощью в основной своей части, оказываются тождественными. То же можно сказать и о финитной и инфинитной математике.

Особенность и значение квантовой механики в этом отношении состоят в том, что этот принцип оказался эффективным при построении частнонаучных теорий.

Но хотя противоположности и тождественны, их тождество нельзя абсолютизировать. Они все же остаются противоположностями, а из этого следует, что теоретические модели, концепции, построенные на противоположных принципах, в чем-то обнаружат свои различия и даже свою противоположность. Более того, определенность всякого процесса порождается не одной противоположностью, а единством двух противоположностей, которые взаимно дополняют друг друга. Этот принцип был обнаружен также в квантовой механике. Согласно этому принципу полное описание мы получаем лишь тогда, когда используем двойное описание одного и того же процесса с двух противоположных точек зрения. В данном случае для квантовой механики - это волновой и корпускулярный подход.

Н. Бор считает, что с такой гносеологической ситуацией наука столкнулась впервые. Он попытался обобщить этот методологический принцип на все формы научного познания, полагая, что всякая концепция, которая ограничивается лишь одним принципом при описании того или иного явления, остается односторонней, неполной и требует дополнения в виде концепции, построенной на прямо противоположном принципе. Бор стремился этот методологический принцип распространить не только на другие физические концепции, но и на научные направления, далекие от физики, например, на социальные теории. И хотя приводимые им примеры не слишком удачны, сама идея, несомненно, верна. Принцип дополнительности, так же как принцип эквивалентных описаний - это универсальные принципы в методологии научного познания, которые в квантовой механике получили впервые свое естественнонаучное обоснование.

В теории элементарных частиц получил конкретизацию один философский закон, вытекающий из философского закона противоречия. Речь идет здесь не о формально логическом законе противоречия, а о законе диалектики или о законе содержательной логики. Этот закон утверждает, что противоположности способны к взаимному превращению. Этот факт был обнаружен при изучении взаимного превращения вещества и поля. Так, протон и антипротон - это типичные частицы вещества, точно так же как электрон и позитрон. Однако при взаимодействии такие античастицы превращаются в фотоны высокой энергии. Но фотоны - это частицы поля. Таким образом закон взаимного превращения противоположностей стал для физики не только теоретическим, но и экспериментальным, и здесь в развитии физической теории обнаруживается действие диалектических закономерностей.

Заключение

В классических представлениях естествознания различают два вида материи - вещество и поле.

Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т.е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.

В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго - непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии.

Список использованной литературы

1.Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2007. -226 с.

.Джегутанов, Б.К. и др. История и философия науки. - СПб.: Питер, 2006 -368 с.

.Зеленов, Л.А. История и философия науки. СПб.: 2008 - 471 с.

.Хрусталев Ю.М. История и философия науки. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. - 476 с.

Похожие работы на - Формирование представлений о веществе и поле в физике и науке

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!