Физика как наука
Содержание
Введение 3
Физика как наука. Этапы развития и современные основные черты 4
Физика как наука 4
Механическая картина мира 5
Электромагнитная картина мира 7
Становление современной физической картины мира 10
Квантовая Механика и мир элементарных частиц 13
Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия 14
Идеи и понятия квантовой механики. Принцип неопределенности 16
Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности. 18
Фундаментальные физические взаимодействия 20
Понятие фундаментального физического взаимодействия 20
Гравитация 21
Электромагнетизм 22
Слабое взаимодействие 23
Сильное взаимодействие 24
Заключение 26
Список использованной литературы и источников 28
Введение
Важнейшей функцией науки является мировоззренческая функция. Она связана с формированием научной картины мира, без которой современный человек не сможет нормально ориентироваться в нашем мире. Ведь современная цивилизация сформировалась в результате процессов модернизации, начавшихся в Европе с XVI в. и неразрывно связанных с развитием науки и техники. Данные процессы были бы невозможны, если бы не существовало систематизированного представления о природе, объясняющего с точки зрения науки большую часть того, что мы видим вокруг себя. Также в понятие научной картины мира входит обоснование принципов познания окружающего мира, что теснейшим образом связывает в данном вопросе науку с философией. Научная картина мира формируется на основе естественных, общественных и гуманитарных наук. Но фундаментом этой картины, бесспорно, является естествознание. Значение естествознания для формирования научной картины мира настолько велико, что нередко научную картину миру сводят к естественно-научной картине мира.
Естественно-научная
картина мира представляет собой
систематизированное
Целью моей контрольной работы является изучение Фмчнкн как науки, чаюш.ей широкое представление о мире. В своем развитии физика как huvkh прошла длинный путь, она непрерывно развивалась, появилась квантовая фн'-игка и квантовая механика.
'*1и вопросы я попытался осветить в своей рабспе.
исконными источниками работы явилась учебная литера?vpa
4
Физика как наука. Этапы развития и современные
основные черты.
Физика как наука
Физика — это наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих свойствах тел и явлений.
В любом явлении физика ищет то, что объединяет его со всеми другими явлениями природы. Это — строение материи и законы ее движения. Само слово «физика» происходит от греческого — природа. Эта наука возникла еще в античности и первоначально охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. Иными словами, тогда физика была тождественна всему естествознанию. Лишь к эпохе эллинизма, по мере дифференциации знаний и методов исследования из общей науки о природе выделились отдельные науки, в том числе и физика.
В своей основе физика — экспериментальная наука. Такой она стала, начиная с Нового времени, когда ее законы стали базироваться на фактах, установленных опытным путем. Но помимо экспериментальной физики различают и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировку законов природы.
В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения современная физика подразделяется на ряд дисциплин. Это деление происходит по разным критериям. Так, по изучаемым объектам выделяют физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела, физику плазмы. Если в качестве критерия взять различные формы движения материи, можно выделить механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред, термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля.
Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира. При постоянном возрастании количества опытных данных картина мира долгое время остается относительно неизменной. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления, с иными гносеологическими предпосылками. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и появлении новой.
В пределах данного этапа развитие физики идет эволюционным путем, без изменения основ картины мира. Оно состоит в реализации возможностей построения новых теорий, заложенных в данной картине мира. При этом она может эволюционировать, достраиваться, оставаясь в рамках определенных конкретно-физических представлений о мире (прежних гносеологических предпосылок физики). При изменении ключевых понятий картины мира, что невозможно без смены гносеологических предпосылок науки, происходит революция в физике. Ее результатом становится появление новой физической
картины мира.
Ключевыми понятиями физической картины мира являются: материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и время, причинно-следственные связи в мире и их отражение в форме физических законов, место и роль человека в мире.
Важнейшим из них является понятие материи. Поэтому революции в физике всегда связаны с изменением представлений о материи. В истории физики Нового времени это происходило два раза. В XIX в. был совершен переход от утвердившихся к XVII в. атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым (континуальным). В XX в. континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира. Рассмотрим их..
Механическая картина мира
Механическая картина мира сложилась в результате научной революции XVI—XVII вв. Свой вклад в ее формирование внесли Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, П. Лаплас, И. Ньютон и многие другие ученые.
В основу новых представлений науки о мире легли идеи и законы механики, которая стала самым разработанным разделом физики. По сути дела, именно механика является первой фундаментальной физической теорией. Эти теории представляют собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражают физические процессы в природе. Важнейшими понятиями механики как фундаментальной физической теории стали материальная точка — тело, формы и размеры которого не существенны в данной задаче; абсолютно твердое тело — тело, расстояние между любыми точками которого остается неизменным, а его деформацией можно пренебречь. Их характеризуют с помощью понятий: масса мера количества вещества; вес - - сила, с которой тело действует на опору. Масса всегда остается постоянной, вес же может меняться. Эти понятия выражаются через следующие физические величины, координаты, импульсы, энергию, силы. Эволюцию состояния механических систем описывают уравнения движения — три закона Ньютона и закон всемирного тяготения. , Материальная точка — это абстракция, а абсолютно твердое тело — идеализация очень высокого уровня. Поэтому можно сказать, что классическая механика в целом использует очень сильные гносеологические предпосылки. То же можно сказать и обо всей механической картине мира в целом.
Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая человека, понимал как совокупность огромного числа неделимых частиц — атомов, перемещающихся в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Это корпускулярное представление о материи.
Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было
понятие движения. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса. Универсальным свойством тел является тяготение.
Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.
Концепция дальнодействия основана на понимании пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепции абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и абсолютное время. Оно становилось универсальной длительностью всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи. В механической картине мира любые события жестко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась из картины мира. Как говорил П. Лаплас, если бы нашелся гигантский ум, способный объять мир, то есть собрать знания о координатах всех тел в мире, а также о силах, действующих на эти тела, то этот ум мог бы однозначно предсказать будущее этого мира. Такой жесткий детерминизм находил свое выражение в форме так называемых динамических законов.
Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Поэтому присутствие или отсутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица Земли, мир продолжал бы существовать, как ни в чем не бывало.
На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.
В то же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механической картине мира. Так, наряду с рассмотрением природы как системы материальных точек, что полностью соответствовало корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды. Оно понадобилось для объяснения световых явлений. Так в физике появилось понятие эфира — особо тонкой и абсолютно непрерывной снеговой материи. Это уже были не корпускулярные, а континуальные представления о материи.
В XVIII веке появилось учение о невесомых веществах. В его рамках были введены понятия электрической и магнитной жидкостей, теплорода, флогистона. Они также были особыми разновидностями сплошной материи. Этого требовала механистичность классической науки, распространявшая принципы и подходы механики на другие разделы науки.
Таким образом, хотя механический подход к этим явлениям оправдывал себя не в полной мере, опытные факты искусственно подгонялись под механическую картину мира.
В XIX веке в физике наступил кризис, который был вызван исследованиями и открытиями в области электричества и магнетизма. Тогда стало ясно, что противоречия между опытными данными и механической картиной мира стали слишком острыми. Физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир.
Электромагнитная картина мира
Основы новых представлений о материи были заложены в работах X. Эрстеда и А. Ампера в конце XVIII — начале XIX века. Затем, в процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Открыв явление электромагнитной индукции, он сделал вывод, что огромную роль в передаче электрических и магнитных сил играет среда. Одним из первых идеи Фарадея оценил Д. Максвелл, создавший электромагнитную теорию в середине XIX века. Тем самым было завершено создание электродинамики, еще одной фундаментальной физической теории.
Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.
Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, Они известны как уравнения Максвелла. Это — закон Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля. Это позволило единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.
Таким образом, были выдвинуты новые как физические, так и
философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменившие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.
Кардинально изменились представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым) установкам. Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое, абсолютно непрерывное, бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.
Понятие движения расширилось. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.
Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия. Он утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.
Ньютоновская
концепция абсолютного
Законы электродинамики, как и законы классической механики, все еще однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайность пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в элек-
тромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.
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 покачало 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 стана 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 континуальными (полевыми) представлениями о материи 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 согласовывашсь с
10
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.
Становление современной физической картины мира
В конце XIX в. произошло множество открытий в самых разных областях физики, носящих революционный характер. Среди них — открытие А. Беккерелем в 1897 г. явления радиоактивности, в соответствии с которым было установлено, что радиоактивность вызвана превращением одних химических элементов в другие и сопровождается при этом испусканием альфа-и бета-лучей. Тогда же выяснилось, что атом имеет сложную структуру, и ученые начали работать над созданием модели атома. Таким образом, трансмутация элементов, о которой тысячелетиями мечтали алхимики, осуществилась. Важнейшим открытием стала идея кванта, предположение о прерывности процессов излучения, выдвинутые в 1900 г. М. Планком.
В связи с этим, в начале XX века в физике существовали два, как* казалось ученым, несовместимых представления о материи — корпускулярное и континуальное (полевое). Физики предпринимали многочисленные попытки совместить две эти точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными. Рушились все старые представления о мире, многим казалось, что физика зашла в тупик.
Кризис в физике пошел на спад лишь с 1913 г., когда Н. Бор предложил свою модель атома, в которой электрон, вращавшийся вокруг ядра, излучал энергию только порциями при переходе с одной орбиты на другую. Это противоречило известным законам электродинамики, но позволило сделать прорыв в науке. Началось формирование новых физических представлений о материи и движении, которые были завершены и 20-е годы созданием новых фундаментальных физических теорий — квантовой механики и квантовой электродинамики. Над их созданием помимо уже названных ученых работали Э. Резерфорд, Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн.
Важнейшими понятиями новых теорий стали: корпуекулярно-волновои дуализм — наличие у каждой частицы материи свойств волны и частицы одновременно; соотношение неопределенностей Гейзенберга — невозможность одновременного измерения координат и импульса частицы. Эти теории ха-
11
растеризуются такими физическими величинами, как координаты, импульсы, энергия, момент импульса (такие же, как в классической механике). Но для характеристики состояния была предложена комплексная волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения не только координаты, но и любой другой физической величины. Эволюция состояния системы определялась с помощью уравнения Шредингера. Для объяснения парадоксов квантовой механики были предложены принципы соответствия, дополнительности и суперпозиции, о которых мы будем говорить ниже. Математическая интерпретация квантовой механики, ее формулировка в виде уравнений движения была сделана П. Дираком и Д. фон Нейманом.
В рамках современной физики впервые были выявлены так называемые фундаментальные константы нашего мира, или мировые универсальные константы — постоянные, которые не сводимы друг к другу и имеют значение для всей наблюдаемой части Вселенной. Над перечнем этих констант работали многие крупнейшие физики, поэтому количество констант варьируется. По мнению М. Планка, существует четыре фундаментальных константы.
. скорость света в вакууме (с = 300 000 км/с), это максимальная скорость для всех возможных взаимодействий в природе;
• гравитационная
постоянная, она используется
как коэффициент
пропорциональности в формуле, описывающей
закон всемирного тяготения;
• постоянная
Планка это квант энергии, входит во все
уравнения,,
описывающие процессы на уровне микромира;
• постоянная
Больцмана, она
устанавливает связь
между
микроскопическими динамическими
явлениями и
макроскопическими
характеристиками состояния объединений
частиц.
А. Эйнштейн расширил этот список универсальных констант, добавив в него, заряд электрона и массу электрона (минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в свободном состоянии, и его масса). Еще одна константа — это масса протона
Возможно, к этому списку добавятся еще некоторые константы, такие, как фундаментачьная длина Но существует точка зрения, что в принципе возможно сведение всех фундаментальных постоянных к одной константе. То, что это пока не сделано, говорит лишь о недостатке наших знаний о мире.
С появлением квантово-релятивистской картины мира ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рассматриваем материю с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.
Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментачъных физических взаимодействии: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на
