Физическая картина мира

Не  менялось в электромагнитной картине  мира представление о месте и  роли человека во Вселенной. Его появление  считалось лишь капризом природы. Эти  взгляды лишь упрочились после появления  дарвиновской теории эволюции. Идеи о  качественной специфике жизни и  разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила  большой круг явлений, непонятных с  точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла  материальное единство мира, поскольку  электричество, магнетизм, свет объяснялись  на основе одних и тех же законов.

Однако  и на этом пути вскоре стали возникать  непреодолимые трудности, что наглядно показало переходный характер новой  картины мира. Так, согласно электромагнитной картине мира заряд стал считаться  точечным центром, а факты свидетельствовали  о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной  теории X. Лоренца частица-заряд вопреки  новой картине мира стала рассматриваться  в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой.

Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона–Морли, в которых пытались обнаружить «эфирный ветер». Свет в то время считали электромагнитными волнами, которые распространялись в особой среде – эфире. Наблюдатель на Земле перемещается относительно эфира вследствие движения Земли, а потому воспринимаемая скорость света должна зависеть от скорости движения планеты. Это и было явление «эфирного ветра», поиск которого продолжался в целом ряде опытов вышеназванных ученых. Несмотря на все повышавшуюся точность измерений (первый опыт был проведен в 1881 г., а последний – в 1963 г.), данного явления обнаружить не удалось. Это заставило усомниться в существовании эфира.

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 выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили X. Лоренц и А. Пуанкаре, чьи работы завершают до-эйнштейновский период развития физики. Речь идет об электронной теории Лоренца, а также о его знаменитых уравнениях, переведенных на язык четырехмерного пространства-времени Пуанкаре, которыми позже воспользовался А. Эйнштейн в своей теории относительности.

Принимая  законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, Эйнштейн ввел в электромагнитную картину  мира идею относительности пространства и времени. Тем самым было устранено  противоречие между пониманием континуальных (полевых) представлений о материи  и ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени.

Таким образом, к концу XIX в. накапливалось  все больше необъяснимых несоответствий теорий и опыта. Одни были обусловлены  недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи.

Тем не менее, об этих мелких неприятностях  физики предпочитали не думать. Они  считали, что как никогда близки к решению основной задачи науки  – получению абсолютной истины, раскрытию всех тайн окружающего  мира. Это позволило такому известному физику, как  
Г. Кирхгоф, в 80-х годах XIX в. заявить, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

Но  даже создание теории относительности  не могло спасти электромагнитной картины  мира. С конца XIX в. обнаруживалось все  больше непримиримых противоречий между  электромагнитной картиной и фактами, что и послужило основанием для  второй глобальной научной революции, которая разрушила не только существующую картину мира, но и все здание классической науки. В ходе этой революции  начала складываться современная наука  и новая квантово-релятивистская картина мира.

Сравнение электромагнитной картины мира с  механистической выявляет некоторые  важные особенности, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Раздел 5.

В конце XIX в. и начале ХХ в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX в. были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишённых заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной английским учёным Эрнестом Резерфордом (1871-1937), атом уподоблялся  миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются  электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми  образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В связи  с этим прежняя модель строения атома  была значительно усовершенствована  выдающимся физиком Нильсом Бором (1885-1962), который предположил, что  при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или  поглощается в виде кванта, или  порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что все элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путём было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определённых условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля -свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы - представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля - волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов учёные вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

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. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость  и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Окончательно утверждаются представления об относительности  пространства и времени, зависимость  их от материи. Пространство и время  перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном  пространственно-временном континууме.

Эти новые мировоззренческие  подходы к исследованию естественнонаучной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы, научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано изменение представлений о картине природы.

Квантово-полевая картина  мира и в настоящее время находится  в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые  элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые  теории.

Раздел 6.

Важной  частью современной физической картины  мира являются принципы современной  физики — наиболее общие законы,влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.

Принцип симметрии

В той или иной степени представление  о симметрии есть у всех людей, так как этим свойством обладают самые разные предметы, играющие важную роль в повседневной жизни.

Обычно  под симметрией (от греч. symmetria — соразмерность) понимают однородность, пропорциональность, гармонию каких-либо материальных объектов.

Наглядных, классических симметрий известно довольно много. Многим творениям человеческих рук в силу самых разных причин придается симметричная форма. Симметричны  мячи, многие здания и сооружения, произведения искусства. Также симметричны многие человеческие действия. Симметрию можно  обнаружить в живописи, музыке, поэзии, танце. В изобилии симметрии встречаются  в природе (снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т.д.).

Все названные нами типы симметрии связаны  с представлениями о структуре  предметов, которая не меняется при  проведении некоторых преобразований. Долгое время это были единственные симметрии, известные в науке. Но постепенно было осознано, что симметрии  могут быть не только наглядными, связанными с геометрическими операциями. Существует целый ряд симметрий, связанных  с описанием каких-либо изменений  сложных естественных процессов. Эти  симметрии не фиксируются в наблюдениях, они становятся заметны лишь в  уравнениях, описывающих природные  процессы. Поэтому физики, исследуя математическое описание той или  иной физической системы, время от времени  открывают новые, часто неожиданные  симметрии, которые достаточно тонко  «запрятаны» в математическом аппарате и совсем не видны тому, кто непосредственно  наблюдает физическую систему.

Поэтому сегодня математическое исследование, основанное на анализе симметрии, также  может стать источником выдающихся открытий в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии  трудно или невозможно представить  себе наглядно, тем не менее они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику продвигаться к более глубокому пониманию мира.

С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность — это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.

Симметрия в физике — это свойство физических величин, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных их преобразованиях.

Симметрии в физике тесно связаны с законами сохранения физических величин —  утверждениями, согласно которым численные  значения некоторых физических величин  не изменяются со временем в любых  процессах или определенных классах  процессов.

Так, закон сохранения энергии вытекает из однородности времени. Время симметрично  относительно начала отсчета, все момента  времени равноправны.

Закон сохранения импульса следует из однородности пространства. Все точки пространства равноправны, поэтому перенос системы  никак не повлияет на ее свойства.

Закон сохранения момента импульса исходит  из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.

Также имеет место целый ряд симметрий, действующих в микромире. Они  описывают различные аспекты  взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов  сохранения, как закон сохранения электрического заряда, барионного и  лептон-ного зарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в. подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.

Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.

Прежде  всего, Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые  мы видим вокруг себя, и, конечно, измерительные  приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам человек — существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, — это макроскопические понятия. С их помощью можно легко опи-

сать любые физические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представлений об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической науки они взаимно исключают друг друга, — это понятия частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.

Если  в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно  знать координаты, импульс и энергию  частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем  большая неопределенность будет  содержаться в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся  энергия и время. Точность измерения  энергии обратно пропорциональна  длительности процесса измерения. Причина  этого — во взаимодействии прибора  с объектом измерения.