Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна

Курганский Государственный Университет (экономический факультет)

Реферат

Тема: Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна

проблема элементарного.

Курган 2001

План.

Введение…………………………………………………………….3-4

I. Метод Галилея……………………………………………………4-5

1.Анализ исторической обстановки и проблемной ситуации в науке. Новые концепции Галилея……………………………..4-5

2.Заслуга Галилея………………………………………………5

II.Классическая механика…………………………………………5-7

III.Максвелл: развитие и кризис механической картины мира...7-13 1.Молекулярно – кинетическая концепция…………………...7-10

2.Теориия электромагнитного поля и кризис механической картины мира …………………………………10-11

3.Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира……………………………………………………………..11-13

Заключение………………………………………………………….13

Введение…………………………………………………………….14

V.Проблема Элементарного…………………………………….14-21

1.Какой объект можно назвать «самым элементарным»…..15-17

2. Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы…………………………………17-20

Заключение………………………………………………………..20-21

Список литературы………………………………………………….22

Введение.

Научную картину мира следует понимать как широкую панораму современных знаний о природе, включающую в себя наиболее важные факты, гипотезы, теории. Функциональное значение такого рода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания, связи различных разделов естествознания. При этом есть расхождения понимания того, для чего необходим синтез:

- Одни считают, что он нужен в плане методологическом, обеспечивая интеграцию научного знания.

- Другие – что он нужен скорее в плане психологическом, помогая преодолевать узкую специализацию современных исследований.

Это различие в понимании функций картины мира в свою очередь ведет к расхождению в самом подходе к её анализу:

- В первом случае для понимания смысла и роли картины мира в научном познании необходимо рассматривать методологию современной науки, структуру научного знания;

- Во втором – исследовать специальную обусловленность научного познания, социально – психологические и социокультурные факторы деятельности учёных.

В противовес точке зрения авторов, выдвигающих на первый план идею синтеза, объединения разнообразных естественнонаучных знаний, ряд исследователей считает, что научная картина мира необходима при построении каждой отдельной теории как составная часть её фундамента. (В.С. Степин)

В.С. Степин считает, что научная (например, физическая) картина является необходимым компонентом каждой отдельной теории. Будучи по происхождению результатом синтеза научных знаний, частнонаучные картины мира дают, по его мнению, видение основных систематических характеристик предмета исследования соответствующей науки. «Такое видение. Изменяясь по мере исторического развития научных знаний, выражается по средствам представлений:

1. Об элементарных объектах, из которых предполагаются построены все другие объекты, исследуемые в соответствующей науке

2. О типологии исследуемых объектов

3. О характеристике взаимодействия объектов (об особенности причинности и закономерности)

4. О пространстве – временных характеристик изучаемой реальности».

Учитывая указанные разногласия, В.А. Амбарцумян и В.В. Каротинский предполагают различные трактовки физической реальности в широком и узком смысле этого слова.

Физическая картина мира в узком смысле этого слова – это система фундаментальных конструктов, характеризующих основные свойства физической реальности (пространства, время, вещество, поле, вакуум) связи между которыми представлены физическими принципами.

Физическая картина мира в широком смысле этого слова – это наиболее общие конкретно-исторические представления о физическом мире, который с точки зрения стиля научного мышления конкретной эпохи рассматривается как наиболее важные и существенные.

II .Метод Галилея.

С именем Галилея связано начало принципиально важного этапа развития физического знания – восхождение на уровень познания.

- Анализ исторической обстановки и проблемной ситуации в науке. Новые концепции Галилея .

Принятые в научном сообществе того времени методологические принципы требовали, чтобы теоретические суждения непосредственно подтверждались чувственным данным.

Исторически сложившаяся проблемная ситуация не позволяла Галилею принять порцию эмпиризма[1] , согласно которой все научные утверждения возникают только в результате обобщения непосредственно наблюдаемых фактов . Он стремился выработать и защитить существенно иное отношение исследователей к эмпирическим данным.

Требования логической (и математической) самосогласованности, системной целостности всех утверждений физической науки опирается у Галилея на важную мировоззренческую идею о целостности Вселенной, единообразии «способа действия самой природы».

Целостность, совершенство, самосогласованность научного знания (которой не смогли добиться ни Аристотель, ни тем более его средневековые последователи) основываются на гармонии мироздания.

В методологическом плане это означает, что наука должна находить исходные, базисные формы этого порядка, обладающие к тому же высшей универсальностью и потому позволяющие на их основе объяснить всё происходящие в мире. Так, в физике Нового времени входила идея, что общий принцип построения целостной, объясняющей все явления научной теории должен исходить из общей физической картины мира.

По Галилею, закономерности мира отражаются именно в количественных отношениях между наблюдаемыми явлениями, а не в той внешней видимости отдельно взятых фактов, которые носит видимости обычно обманчивый характер. Математика, отражающая универсальные формы природных законов, выступает для Галилея важнейшим средством проверки взаимной согласованности фактических данных и теоретических построений.

Согласно Галилею, логические конструкции из идеализированных объектов можно рассматривать как научно достоверные при следующих условия:

- Вся система выдерживает проверку на внутреннюю логическую согласованность, целостность;

- Идеализации и теоретические модели, отражая общие законы данной области явлений, позволяют с единых позиций (единообразным способом) объяснять всю совокупность фактов, в том числе и кажущихся эффектов, предсказать ещё не наблюдавшиеся события;

- Идеализация и теоретические модели отнюдь не являются вспомогательными или фиктивными умственными построениями, они отражают общий план мироздания, общие законы данной области явлений, картину мира.

- Заслуга Галилея.

Он не только обратился к научным эксперимента, не только ввёл метод предельных идеализаций, не только использовал математику, но прежде всего предвосхитил принципы методом построения физических теорий. Эта методология включает в себя использование экспериментов (как реальных, так и мысленных), создание фундаментальных идеализаций, построение с их помощью конструктивных теоретических моделей реальности с применением математического аппарата и самое главное, без чего теряет смысл применение всех указанных методологических средств, - «разработку и конструктивное использование общих представлений о принципах строения мироздания, научной картины мира на теоретическом уровне ».

III . Классическая Механика.

В истории механики за работами Галилея (который также имел предшественников в накоплении эмпирических фактов и обобщений и в разработке теоретических предпосылок механики) последователи многочисленные работы целой плеяды выдающихся учёных. Их коллективными усилиями шаг за шагом не только строилось всё здание классической механики, но и совершенствовался её концептуальный фундамент, система исходных теоретических идеализаций. Создание фундамента идеализаций явилось своеобразной, характерной для теоретического уровня познания формой логического анализа материальной действительности. Продуктами анализа стали идеализации элементарного объекта, элементарного процесса, пространственно – временных отношений, формы детерминизма[2] , отразившие конкретное содержание картины мира.

Хотя чувственные восприятия небесных тел, движения которых оказалось в центре внимания Галилея и Ньютона, с самого начала подсказывали образ точечного объекта, теоретическая идеализация материальной точки родилась не сразу. И Галилей, и Ньютон широко использовали понятие тела как движущегося объекта. Лишь позже, когда выяснилось, что поле тяготения сферически симметрического тела выглядит в точности так, как если бы вся масса этого тела была сосредоточена в его геометрическом центре, в одной точке, идея теоретического замещения материальных тел идеализированными образами материальных точек могла рассматриваться как логически согласованная со всем содержанием теории.

Идеализация материальной точки широко использовалась Л. Эйлером в его программе построения механики. В основе этой программы, которую Л. Эйлеру во многом удалось реализовать, лежало принципиальное убеждение, что сложные случаи механического движения могут быть теоретически представлены конструктивными моделями, построенными из образов взаимодействия и перемещающихся материальных точек. Логически исходным пунктом системы механики, по Л. Эйлеру, выступают изложенные в его трактате 1736 года теория движения свободной материальной точки и динамика точки при наличии связей.

Кроме идеализации основного элементарного объекта в логической структуре теории принципиальное значение имеет идеализация основного элементарного процесса (в данном случае – формы движения). Галилей вплотную приблизился к выработке такой идеализации в представлениях о равномерном движении (по окружности), которое, раз начавшись, продолжается бесконечно, если этому не препятствует внешние действия.

Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировавший два исходных понятия: «…однажды пришедшее в движение тело продолжает двигаться, пока это движение не задержится каким-либо встречным телом.», при этом «каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой…». Соединённые вмести эти два положения у И. Ньютона приняли форму первого закона механики.

Для построения теоретических моделей механического движения существенно система пространственно – временного описания. Введение системы координат и разработка математики переменных величин вооружили учёных универсальным средством теоретического изображения механического движения, сочетающего в себе высокую степень абстрактности (изображение движения тела математической функцией) с высокой степенью наглядности (графики функций в заданной системе координат мог непосредственно изображать траекторию перемещения тела в пространстве с течением времени).

Теоретическое знание может выполнить свои основные функции лишь в том случае, если в нём отражена конкретная форма детерминации исследуемых явлений, прежде всего фундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия. И. Ньютон ввёл понятие силы как причины изменения состояния движения по величине и по направлению (или одновременно по величине и по направлению). В механике Ньютона источниками и точкой приложения сил являются материальные точки.

Центральное место в системе трёх законов механики занимает второй закон Ньютона – основной закон движения. Он связан с изменением состояния материальной точки с величиной и направлением действующей на него сил: ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально силе действующей на это тело и обратно пропорционально массе этого тела. Данный закон позволяет объяснить и прогнозировать изменение механического движения тела в зависимости от величины и направления силы и от предшествующего состояния движения.

Выдающейся заслугой Ньютона явилось установление конкретного закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия, - закон Всемирного тяготения.

Несмотря на ограниченность механической картины мира по её содержанию, основные особенности методологии физического познания, проявившиеся в ходе создания и развития классической механики, воспроизводятся и в процессе построения последующих физических теорий, как бы ни отличалось их конкретное содержание и даже содержание фундаментального представление картины мира от концептуального содержания классической механики. В этом отношении классическая механика до сегодняшнего дня остаётся и классическим примером построения естественно – научной теории.

IV . Максвелл: развитие и кризис механической картины мира.

- Молекулярно-кинетическая концепция.

Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже в работах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям, непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости и твёрдых тел.

Основные этапы развития знаний о свойстве газов:

В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46 см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор для измерения давления.

Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутом сосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная (для данной массы газа при постоянно температуре).

В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на ¹ / ₂₇₃ первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.

Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газа меняется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).

В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая область своеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммы частных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с их центральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретического объяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.

Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно, Б. Клайперон, в 1834 году объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре . Найденные ранее эмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когда одновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватных представлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можно было бы объяснить законы его поведения.

Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию - во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним и развили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии[3] , важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.

Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные для понимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о так называемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиями термодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, что с течением времени разность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамические процессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.

Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могут претендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.

Основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общий метод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скорости всех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётах условно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.

Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в области молекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменить невыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах. Следуя этому методу, - единственно возможному с точки зрения экспериментальной, так и математической мы переходим от строго динамических методов к методам статистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждой отдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно.

Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получить результаты, согласующиеся со всеми экспериментами.

На основе статистической трактовки природы второго закона термодинамики Л. Больцман разработал последовательное разрешение парадокса «тепловой смерти» Вселенной. Современной точки зрения оно уже не является достаточно полным и достаточно убедительный, но в то время это было первым логическим согласованным «в рамках имевшихся теоретических представлений» ответом на вопрос, почему «тепловая смерть» ещё не наступила. По Л. Больцману, «тепловая смерть» наступила много раз и много раз Вселенная в большей или меньшей степени отклонилась от равновесного состояния полного молекулярного беспорядка к состояниям неравновесным и более упорядоченным, то есть к состояниям с меньшей энтропией, с температурными различиями. Это возможно потому, что в процессах, подчинённых статистическим законам, всё время возникаю флуктуации - случайные отклонения от наиболее вероятного состояния .

Молекулярно – кинетическая концепция, в отличие от классической механики, имела принципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях, твёрдых телах.

- Теория электромагнитного поля и кризис механической картины мира.

Дж. К. Максвелл не только внёс вклад в развитие молекулярно – кинетической концепции, базировавшейся на представлениях механической картины мира, но и создал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение этой картины.

Механическая картина мира опиралась на представления, что силы действуют по направлению прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), то есть являются центральными силами. Другими словами в картине мира классической механики все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию частиц, это было, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновской системы абстрагироваться от роли промежуточной среды в передачи взаимодействия.

С открытием Х. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация противоречившая представлениям механической картины мира: на определённом расстоянии


10-09-2015, 22:10