Концепции современной физики

Введение .

Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи, как единое целое, представляет собой весьма сложное явление, обладающее различными сторонами и связями, чем обусловлено его место в общественной жизни, как неотъемлемой части духовной культуры человечества.

Естествознание как система научных знаний имеет:

- предмет и цели;

то есть естественнонаучная и гуманитарные культуры, их материальные носители, взаимосвязи, внутренняя структура и генезис. При этом изучению подвергаются не только явления и закономерности общего характера, но и специфические, касающиеся отдельных сторон знания.

- закономерности и особенности развития;

С учетом специфики предмета Естествознания, это:

а) Обусловленность практикой.

б) Относительная самостоятельность.

в) Преемственность в развитии идей и принципов.

г) Постепенность развития.

д) Взаимодействие наук и взаимосвязанность всех отраслей Естествознания.

е) Противоречивость в развитии.

- методы.

Выделяют:

а) Эмпирическую строну Естествознания.

б) Теоретическую строну Естествознания.

в) Прикладную сторону Естествознания.

В мировоззренческом плане, Естествознание как система научных знаний играет фундаментальную роль, и состояние Естествознания в конкретно исторический период определяет доминирующую систему взглядов в обществе на природу, в широком смысле слова, и методы ее познания. Знания можно разделить на отрасли, в каждой из которых выделить конкретные направления познания, так познания человечества по отраслям подразделяются на:

- естественные (физика, химия, биология и т.д.)

- технические (машиностроительные, архитектурные, микроэлектроника и т.д.)

- социальные и гуманитарные науки (культурологические знания, социологические, политологические и т.д.)

Как видно из приведенной выше классификации познаний, знания в области физики, формируют блок естественных знаний человечества о природе и в силу этого играют решающую роль в формировании мировоззрения, с учетом конечно развития других отраслей знания, в совокупности формируя идеологическую надстройку общества, которая формирует "современное" видение картины мира.

Изучение становления и развития современной физической картины мира имеет не только мировоззренческое значение, но познавательное, а синтез современных концепций физической картины мироздания, закладывает базис для качественных шагов в познании.

Понятие "научная картина мира" используется в Естествознании с конца XIX века, а история Естествознания стоит в неразрывной связи с историей общества и каждому типу и уровню развития общества, его производительных сил, техники, соответствует своеобразный период в развитии Естествознания и "современной" физической картины мира.

Революция в физике

В конце прошлого и начале нынешнего века 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, считались атомы, то в конце про­шлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер ато­мов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной англий­ским ученым Эрнестом Резерфордом (1871—1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Но такая система была, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. 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 датским физиком Нильсом Бором (1885—1962), он предположил, что при вращении по орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта ( порции энергии), только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Значительно изменились взгляды на энергию. Раньше предполагалось, что энергия излучается непрерывно, но поставленные эксперименты убедили физиков, что она может испускаться отдельны­ми квантами. Например, явле­ние фотоэффекта, когда кванты энергии видимого света вызывают электрический ток.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важное открытие, - было доказано (экспериментально), что между ве­ществом и полем не существует непроходимой границы, т.е. что в определенных условиях элементарные частицы веще­ства обнаруживают волновые свойства, а частицы поля — свойства корпускул (дуализм волны и частицы) . До этого физики считали, 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 ученые вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

В 1925—1927 г. для объяснения процессов, происхо­дящих в мире мельчайших частиц материи, была создана новая наука - квантовая механи­ка (волновая). Она породила другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория эле­ментарных частиц и другие, которые исследуют законо­мерности движения микромира.

Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. Принцип относительности был использо­ван для описания электромагнитных процессов. Специальная теория относительности появилась в связи с преодолением трудностей, возникших в этой теории.

Важный урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что всё движения, проис­ходящие в природе, имеют относительный характер, т.е. в природе не существует никакой абсолют­ной системы отсчета, следовательно, и абсолютного дви­жения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще большие изменения в учении о про­странстве и времени произошли в связи с созданием об­щей теории относительности, (теория тяготения), принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Об­щая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел и структурой физического пространства — вре­мени. Теоретические выводы из нее были экспе­риментально подтверждены во время наблюдения сол­нечного затмения.

Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественнонаучной картине мира. Возникновение системного подхода позволило взгля­нуть на окружающий нас мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаи­модействующих друг с другом систем. С другой сторо­ны, представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов.

Корпускулярно-волновой дуализм - это двойственная природа мельчайших частиц вещества, состоящая в наличии у них не только корпускулярных, но и волновых свойств.

Атом – это мельчайшая частица химического элемента, носитель его свойств.

Корпускул -

Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве.

В развитии Естествознания выделяют следующие периоды:

1.Первый подготовительный – натурфилософский, характерный для древних этапов развития общества. Примером физической картины мира того времени могут служить древнеиндийские, греческие знания.

В древнеиндийской книге X века до нашей эры, которая называется "Ригведа", что значит "Книга гимнов", можно найти описание всей Вселенной как единого целого. Вселенная "Ригведы" устроена не слишком сложно. В ней имеется прежде всего, Земля. Она представляется безграничной плоской поверхностью – "обширным пространством". Эта поверхность накрыта сверху небом. А небо – это голубой, усеянный звездами "свод". Между землей и небом – "светящейся воздух". Очень похожи на эту картину и ранние представления о Вселенной древних греков.

Первые попытки людей создать ясный и наглядный образ мироздания были ещё очень далеки от науки, как мы её сейчас понимаем. Но замечательна сама эта дерзкая цель – объять мыслью весь мир. Отсюда берёт истоки уверенность в том, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадать устройство Вселенной, создать в своем воображении полную, целостную картину мира, в котором мы живем.

Изучение Вселенной началось еще на рубеже VI и V веков до нашей эры.

Древнегреческий философ Гераклит Эфесский утверждал, что все существующее изменчиво, и эта изменчивость является высшим законом природы. Свое учение он изложил в книге "О природе".

Гераклит писал, что мир полон противоречий и изменчивости. Все вещи изменяются. Неизменно течет время, и неудержимо течет в этом потоке все сущее. Происходи движение неба, движение тел, движутся чувства человека и его сознание. "В одну и ту же реку нельзя войти дважды, - говорил он, - ибо воды в ней вечно новые". Одно приходит на смену другому. "Огонь живет смертью земли, воздух – смертью огня, вода – смертью воздуха, земля смертью воды".

Интересные и глубокие для той эпохи идеи высказывались знаменитым греческим философом – идеалистом Платоном. Согласно его учению тот мир, который мы видим и исследуем, не является "настоящим миром", а только представляется нам, является внешним проявлением истинного мира. Небесные тела и тела на Земле – это согласно Платону как бы "бледные тени" некоторых идеальных прообразов, составляющих действительный мир. "Тени эти несовершенны и изменчивы". "Истинный мир", по Платону, - это абстрактные сущности (он их называл идеями). Идеи – "духовные сущности" – полностью совершенны, не могут никак меняться. Они существуют не в нашей материальной Вселенной, не в пространстве и времени, а в идеальном мире полного совершенства и вечности.

Такой же, как и Платон, точки зрения придерживался его ученик Аристотель. Любопытно, что введенное Аристотилем подразделение содержимого Вселенной на "физическую материю" и "силы взаимодействия" сохраняется в физике до сих пор, хотя конечно, имеет совсем другое содержание.

В целом античная культура вызывает, прежде всего, ощущение грандиозности того поворота в мыслях и чувствах людей, того расширения арсенала понятий, логических норм, фактических знаний, которые имели место в древности.

2. Второй подготовительный

Характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и спорадическими открытиями у арабоязычных народов. Наука на Западе стала придатком теологии (астрология, алхимия, магия, кабалистика чисел), Основные усилия ученых были направлены не на познание мира, а на получение предметов или разработку способов открывающих путь к богатству, в силу этого прогресс техники совершался крайне медленно, но шло накопление фактического материала, подготавливался качественный переход к новому пониманию природы. Арабские мыслители, таки как Ибн-Закрия аль-Рази, Аль-Фараби, Ибн-Сина, Омар Хайям, Ибн Рошд и др. сохраняли связь с античной философией и наукой и в первую очередь с учением Аристотеля. В данный период, созданная ранее физическая картина мира не претерпевала существенных изменений, а господствовавшая в тот период времени церковь и, прежде всего ее инструмент "Инквизиция", не способствовали развитию научных взглядов и прогрессу естественных наук.

3. Период механического и метафизического Естествознания .

Характеризуется началом возникновения Естествознания как систематической экспериментальной науки, совпадает с периодом становления и возникновения капиталистических отношений в обществе. Господствующим методом мышления стала метафизика. Главное достижение этого периода в истории развития Естествознания, это становление ТЕОРИТИЧЕСКОГО метода познания в науке. Из натурфилософского познания природы, Естествознание превратилось в современное, в систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения полученных результатов. Главную роль в совершенной революции познания играют Г. Галилей и И. Ньютон.

Г. Галилей сделал в науке много важных открытий, но самым важным, безусловно, является его новый подход к естественным наукам, его убеждение, что для исследования природы в первую очередь необходимо ставить продуманные опыты. В этом он резко расходился с Аристотелем, который считал возможным познание мира чисто логическим путем. Г. Галилей утверждал также, что поверхностные наблюдения без должного анализа могут приводить к ложным заключениям.

Все это вместе явилось началом современного научного метода исследования природы. "Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея", - писал А. Эйнштейн .

Открытия Галилея в физике основаны на многочисленных проведенных им опытах и строится на чисто теоретических выводах. Закон движения по инерции, лежит в основе принципа механической относительности.

Через год после смерти Галилея родился гениальный ученый Иссак Ньютон. Своими трудами он завершил создание классической физики и первой физической уже в нашем понимании теории времени.

Картина мира представляется Ньютону ясной и очевидной: в бесконечном пустом пространстве с течением времени происходит движение миров. Процессы во Вселенной могут быть очень сложными, многообразными и запутанными. Но какими бы сложными они не были, это никак не влияет на бесконечную сцену – пространство и на неизменный поток времени. По И. Ньютону, ни на пространство, ни на время никак нельзя повлиять, поэтому они и называются абсолютными. Неизменность течения времени он подчеркивает такими словами: "Все движения могут ускоряться и замедляться, течение абсолютного времени изменяться не может. Длительность и продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли или их совсем нет."

Описанные взгляды Ньютона очень точно характеризуют представления физической картины мира того времени.

Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распре­деления энергии в спектрах теплово­го излучения (электромагнитного из­лучения нагретого тела) оказались несостоятельными. Многократно про­веренные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забасто­вали”, когда их попытались приме­нить к проблеме излучения ве­ществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно опи­сывают излучение радиоволн антен­ной и что в свое время само сущест­вование электромагнитных волн бы­ло предсказано на основе этих за­конов.

Возникновение квантовой теории

Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному вы­воду, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромаг­нитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно класси­ческой теории тепловое равновесие между веществом и излучением не­возможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подоб­ного в действительности нет. Нагре­тое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнит­ных волн.

В поисках выхода из этого про­тиворечия между теорией и опытом

немецкий физик Макс Планк к пред­положил, что атомы испускают элек­тромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорцио­нальна частоте v излучения:

E = hv .

Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной План­ка.

Предположение Планка фактиче­ски означало, что законы класси­ческой физики неприменимы к явле­ниям микромира.

Построенная Планком теория теплового излучения превосходно согласовалась с экспериментом. По известному из опыта распределению энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым: =6,63.10-³⁴ Дж.с.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современ­ная и глубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не за­вершено и по сей день.

Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась

теория теплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от законов классической физики приме­нительно к микроскопическим системам и излучению.

СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ

Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света.

В развитии представлений о при­роде света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тща­тельно исследованного выдающимся русским физиком Александром Гри­горьевичем Столетовым. Явле­ние это получило название фотоэф­фекта.

Фотоэффектом называют вырыва­ние электронов из вещества под дей­ствием света.

Свет вырывает элек­троны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электро­ны отталкиваются от нее и электро­метр разряжается. При положитель­ном же заряде пластины вырван­ные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не из­меняется.

Однако, когда на пути света по­ставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяс­нить на основе волновой теории све­та. Непонятно, почему световые вол­ны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, ве­лика сила, действующая на элект­роны.

При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Это означает, что не меняется кинети­ческая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со сто­роны электромагнитного поля свето­вой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кине­тическая энергия фотоэлектронов ли­нейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше опре­деленной для данного вещества ми­нимальной частоты Vmin, то фото­эффект не происходит.

Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты вы­глядит загадочно.

Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, соглас­но которым свет—это электромаг­нитная волна, непрерывно распреде­ленная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было по­нять, почему энергия фотоэлектро­нов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает элект­роны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, раз­вившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В эксперименталь­ных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельны­ми порциями.

Энергия Е каждой порции излу­чения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональ­на частоте:

E = hv , где h — постоянная Планка.

Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура


29-04-2015, 02:10