Предмет физики

I   Введение.

II  Предмет  физики.

1. Основные  открытия в физике на рубеже XIX-XX столетий.

2. Основные  философские вопросы современной  физики:

а) неисчерпаемость  и бесконечность материи;

б) движение: абсолютность и относительность;

в) вопрос об объективной реальности в квантовой  физике;

г) проблема причинности;

д) философские  размышления о пространстве и  времени с

точки зрения   относительности;  о  непрерывном  и

дискретном  пространстве и времени.

3.  Неразрешенные  вопросы физики.

III  Заключение.

Введение.

    Наши  дни - время преобразований, время  выдающихся достижений науки и техники. Особенности развития современной  науки влияют на структуру и характер научного познания. Именно они составляют исторически определенные границы, обусловливающие специфику познавательного  процесса. Более того, научные знания о природе имеют существенное значение и для философского осмысления окружающего мира. То обстоятельство, что физика по сравнению с другими  естественными науками ( например, химией или биологией ) занимается относительно более общими явлениями окружающего  материального мира, в известной  степени определяет ее более непосредственную, нежели у других естественных наук, связь с философией.

    Физику  всегда приходится решать разнообразные  онтологические и гносеологические вопросы, и поэтому он вынужден обращаться к философии. М. Борн писал: "... Физика на каждом шагу встречается с логическими  и гносеологическими трудностями ... каждая фаза естественнонаучного  познания находится в тесном взаимодействии с философской системой своего времени: естествознание доставляет факты наблюдения, а философия - методы мышления."

    Физики  при разработке современных теорий критически переосмысливают накопленные  в прошлом знания. Новое знание как бы отрицает предшествовавшие, но отрицает диалектически, сохраняя момент абсолютной истины. Философские идеи, как об этом убедительно свидетельствует  история, играют чрезвычайно важную роль в процессе становления физических теорий; без преувеличения можно  сказать, что без философского обоснования  физическая теория не может сформироваться.

Основные  открытия в физике на рубеже XIX-XX столетий.

    Физика - комплекс научных дисциплин, изучающих  общие свойства структуры взаимодействия и движения материи.

    Физику ( в соответствии с этими задачами ) весьма условно можно подразделить на 3 большие области: структурную  физику, физику взаимодействий и физику движения.

    Науки, образующие структурную физику, довольно четко различаются по изучаемым  объектам, которыми могут быть как  элементы структуры вещества ( элементарные частицы, атомы, молекулы ), так и  более сложные образования ( плазма, кристаллы, звезды и т. д. ).

    Физика  взаимодействий, основанная на представлении  о поле, как материальном носителе взаимодействия, делится на 4 отдела ( сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное ).

    Физика  движения ( механика ) включает в себя классическую ( Ньютоновскую ) механику, релятивистскую ( Энштейновскую ) механику, нерелятивистскую квантовую механику и релятивистскую квантовую механику.

    Уже в глубокой древности возникли зачатки  знаний, впоследствии вошедшие в состав физики и связанные с простейшими  представлениями о длине, тяжести, движении, равновесии и т. д. В недрах греческой натурфилософии сформулировались зародыши всех трех частей физики, однако на первом плане стояла физика движения, понимаемая,как изменение вообще. Взаимодействие отдельных вещей  трактовалось наивно-антропоцентрически ( например, мнение об одушевленности магнита  у Фалеса ). Подобное рассмотрение проблем, связанных с анализом движения как  перемещения в пространстве, впервые  было осуществлено в знаменитых апориях  Зенона Элейского. В связи с обсуждением  структуры первоначал зарождаются  и конкурируют концепции непрерывной  делимости до бесконечности ( Анаксагор ) и дискретности существования неделимых  элементов ( атомисты ). В этих концепциях закладывается понятийный базис  будущей структурной физики.

    В связи с задачами анализа простейшей формы движения ( изменения по месту ) возникают попытки уточнения  понятий "движение", "покой", "место", "время". Результаты, полученные на этом пути, образуют основу понятийного аппарата будущей физики движения - механики. При сохранении антропоморфных тенденций у атомистов  четко намечается понимание взаимодействия как непосредственного столкновения основных первоначал - атомов. Полученные умозрительным путем достижения греческой натурфилософии вплоть до XVI в. служили единственными средствами построения картины мира в науке.

    Превращение физики в самостоятельную науку  обычно связывается с именем Галилея. Основной задачей физики он считал эмпирическое установление количественных связей между характеристиками явлений  и выражение этих связей в математической форме с целью дальнейшего  исследования их математическими средствами, в роли которых выступали геометрические чертежи и арифметическое учение о пропорциях. Использование этих средств регулировалось сформулированными  им основными принципами и законами ( принцип относительности, принцип  независимости действия сил, закон  равноускоренного движения и др. ).

    Достижения  Галилея и его современников  в области физики движения ( Кеплер, Декарт, Гюйгенс ) подготовили почву  для работ Ньютона, преступившего  к оформлению целостного предмета механики в систему понятий. Продолжая  методологическую ориентацию на принци- Ньютон сформулировал три закона движения и вывел из них ряд  следствий, трактовавшихся прежде как  самостоятельные законы. Ньютоновские "Математические начала натуральной  философии" подвели итоги работы по установлению смысла и количественных характеристик основных понятий  механики - "прстранство", "время", "масса", " количество движения", "сила". Для решения задач, связанных  с движением, Ньютон ( вместе с Лейбницем ) создал дифференциальное и интегральное исчисление - одно из самых мощных математических средств физики.

    Начиная с Ньютона , и вплоть до конца XIX в. механика трактуется как общее учение о движении и становится магистральной  линией развития физики. С ее помощью  строится физика взаимодействий, где  конкурируют концепции близкодействия и дальнодействия.

    Успехи  небесной механики, основанные на ньютоновском законе всемирного тяготения, способствовали победе концепции дальнодействия. По образу теории тяготения строилась  и физика взаимодействий в области  электричества и магнетизма ( Кулон ).

    В конце XIX в. физика вплотную поставила  вопрос о реальном существовании  атома. Штурм атома шел во всех основных разделах физики: механике, оптике, электричестве, учении о строении материи. Каждое из крупнейших научных открытий того времени: открытие

Д. И.  Менделеевым  периодического закона элементов,  Г.  Герцем -

Д. Д. Томсоном - электронов и супругами Кюри - радия, по-своему вело к эксперементальному доказательству существования атома, ставило задачу изучения закономерностей  атомных явлений. Другими , весьма малых  частиц стала рассматриваться как  научно установленный факт. Начатые  в 1906 г. Ж. Перреном замечательные эксперементальные  исследования броуновского движения подтвердили  правильность малекулярно-кинетической теории этого явления, разработанной  А. Энштейном и М. Смолуховским, и  принесли полный триумф идеям атомизма, которые в новой физике получили не предвиденное прежде глубокое содержание. Развитие атомистики привело Э. Резерфорда к открытию атомного ядра и к созданию планетарной модели атома. Эти открытия положили начало новой физике: отпало положение о неизменности массы  тела: оказалось, что масса тела растет с увеличением его скорости; химические элементы оказались превратимыми одни в другие; возникла электронная теория, представляющая новую ступень в  развитии физики. Механическая картина  мира уступила место электромагнитной.

    После открытия электронов и радиоактивности  физика стала развиваться с небывалой  прежде быстротой. Из непременимости классической физики к проблеме теплового излучения  родилась знаменитая квантовая физика М. Планка. Из конфликта классической механики и электромагнитной теории Максвелла возникла теория относительности. Сначала теоретически, а затем  эксперементально и промышленно ( ядерная  энергетика ) установили связь m и E (E=mc²), а также зависимость массы движущегося тела от скорости его движения, покончили с резким противопоставлением материи и движения, характерным для классической физики. Общая теория относительности ( Энштейн 1916 ), интерпритировавшая поле тяготения как искривление пространства-времени, обусловленное наличием материи, перекинула еще один мост от материи и движения к взаимодействию.

    Физика, открыв новые виды материи и новые  формы движения, сломав старые физические понятия и заменив их новыми, по-новому поставила старые философские вопросы. Важнейшие из них - это вопросы  о материи, о движении, о пространстве и времени, о причинности и  необходимости в природе, об объективности  явлений.

Неисчерпаемость и бесконечность материи.

    Учение  философского материализма о материи ( развитое Лениным ) имеет решающее значение для понимания всего  содержания новой физики. Существуют ли какие бы то ни было неизменные элементы, абсолютная субстанция, неизменная сущность вещей и т. п.? Стремление найти  их - наиболее характерная черта  всякой метафизической философии. Механический материализм, в частности, видел  в материи некую абсолютную неизменную субстанцию, и естествоиспытатели XVIII-XIX вв. под материей обычно понимали неизменные атомы, движущиеся по законам классической механики.

    Новый философский материализм не признает существование неизменных элементов, абсолютной неизменной субстанции, отрицает неизменную сущность всех вещей. " "Сущность" вещей или "субстанция",- пишет  Ленин,- тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня - дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере  всех этих вех познания природы прогрессирующей  наукой человека". (4, с. 249 ). Для философского мате-

риализма неизменно  одно:  признание  внешнего мира,существующего

независимо от сознания людей.  В соответствии  с  этим  находится

данное  Лениным определение материи: ... объективная реальность,существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им". ( 4, с. 248 )

    Не  только атомы, но и электроны, протоны  и др. элементарные частицы вещества, разнообразные физические поля ( электромагнитное, ядерное и др. ), атомные ядра, молекулы и т. д. - все они существуют независимо от человеческого сознания, отражаясь  в физических понятиях, теориях, гипотезах. Они - объективная реальность, материя. Материя неисчерпаема:" электрон также неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна..." (4,248). Пределы, до которых доходит сегодня наше знание материи, являются относительными пределами; углубляя наше знание материального  мира,наука преодолевает их. Бесконечность  природы раскрывается в ходе все  более глубокого ее познания человеческим разумом, и развитие новой физики с особой яркостью подтверждает это  положение.

    Особый  интерес с точки зрения материи  представляет центральная проблема современной физики - теория элементарных частиц. Некоторые ученые, применяя односторонне теорию относительности  к этой проблеме, вывели заключение, что элементарные частицы, т. е. электроны,протоны,нейтроны и т. д., не могут иметь конечных размеров, а должны рассматриваться  как геометрические точки. С этим заключением,естественно, согласиться  нельзя. Природа бесконечна, неисчерпаема. это относится и к атому  и к электрону и к другим элементарным частицам. Поэтому свойсва  этих частиц не сводятся лишь к тем  свойствам,которые рассматривает  теория относительности; эта последняя, как и всякая физическая теория, не охватывает до конца явлений и  предметов природы. Т. о., необходимо искать существование более глубоких законов для решения проблемы элементарных частиц. На этой основе выросла  релятивистская квантовая механика. Но по физическим представлениям, нуклоны  имеют определенные размеры, поэтому  выдвигается вопрос о структуре  элементарных частиц, а теория релятивистской квантовой механики не решает этой проблемы. Это приводит к радикальным  изменениям этой физической теории и  поискам новых теорий.

    Поиск "сумасшедших идей", столь актуальный в современной физике, с точки  зрения проблемы реальности, представляет собой проблему существенно новых  принципов построения физической картины  мира, которые позволили бы придать  теории элементарных частиц логическую замкнутость и полноту. Большинство  ученых считает,что принципов квантовой  механики и теории относительности  недостаточно для осуществления  этой цели. Однако, отсутствие ощутимых успехов в преодолении этой недостаточности  вынуждено при решении конкретных задач до сих пор ограничиваться лишь незначительными модификациями  квантово-релятивистского концептуального  аппарата, не затрагивающими его принципиальных основ.

    Но  стоит подчеркнуть, что релятивистская квантовая механика позволяет решать вопросы, относящиеся к превращениям элементарных частиц. Согласно этой теории, пространство, в котором нет электронов, позитронов, фотонов и т. д., называемое по традиции "вакуумом", на самом  деле не есть пустое пространство. В  нем существуют "минимальные поля", реальность которых доказана существованием некоторых явлений, открытых в атомных  спектрах. Открытие материальности физического  атома - новая замечетельная иллюстрация  неисчерпаемости материи.

Движение: абсолютность и относительность.

    После открытия атома стало очевидно, что  материя бесконечна и неисчерпаема. Но существование любого материального  объекта возможно только благодаря  действию образующих ее элементов и  взаимодействию этого объекта с  внешним окружением.

    Взаимодействие  приводит к изменению свойств, отношений, состояний объекта. Изменение в  философии обозначается понятием движения. Т. о., движение внутренне присуще  материи, ибо движение есть форма  бытия материи. Достижения физики XIX-XX вв. значительно повлияли на представления  о смысле движения.

    Квантовая теория, появившаяся в связи с  парадоксами объяснения наблюдаемого распределения энергии в спектре  излучения абсолютно черного  тела ( Планк,1900) явлениями фотоэффекта (Эйнштейн,1905 ) и противоречиями планетарной  модели мира ( Бор,1913) стала общей  теорией взаимодействия и движения микрообъектов. В связи с этим физика движения в специальной теории относительности ( Эйнштейн,1905 ) сделала  ненужными представления об эфире  как абсолютной системе отсчета. Это дало возможность и в физике взаимодействий отказаться от эфира  и приписать полю самостоятельное  существование.

    Различные виды движения материи способны превращаться в друг друга. Такие превращения  могут происходить или в пределах одной физической системы ( например, когда механическое движение превращается в тепловое ), или движение в одной  системе может возбудить движение в других. Однако, при всех превращениях, движение не уничтожается и не возникает, т. е. абсолютно. Доказательством этого  положения выступило открытие в  физике закона сохранения энергии ( закона сохранения движения - в более широком  смысле ). Но одновременно со своей абсолютностью, движение относительно, т.к. физические системы движутся относительно других физических систем. Доказательством  этого положения выступает открытие принципа относительности Галилеем в 1636 г. Несмотря на то, что принцип  относительности был открыт в XVII в.,он не применялся в классической физике только потому, что все существенные результаты в ней были получены раньше, чем было понято его значение. Но этот принцип оказался незаменимым  в релятивистской физике, хотя играет одинаковую роль и в классической, и в релятивистской теории.

Вопрос  об объективной реальности в квантовой  физике.

    Вопрос  об объективности явлений открытых современной физикой можно проследить на примере квантовой механики.

    Квантовая механика - физическая теория частиц и  явлений атомного масштаба - покоится на открытии двуединой корпускулярно-волновой природы атомных объектов. С точки  зрения диалектики, все это не вызывает никаких недоумений, ибо диалектика учит находить не противоречия, какие  существуют в материальной действительности в движении и развитии, и отображать их в понятиях. В самом деле, законы квантовой механики отражают одновременно и корпускулярные, и волновые свойства движущегося вещества в отличие  от законов классической механики, которые отражают движение вещества только в корпускулярном аспекте.Квантовые  величины характеризуют не просто корпускулярную, но одновременно и волновую природу  атомных процессов. Именно поэтому  квантовые величины - суть величины особого рода и, в частности, не сводятся к классическим величинам, хотя последние  используются при их определении, подобно  тому, как скорость в классической механике не сводится к пути и времени, хотя без последних не определяется. Разумеется, квантовые величины связываются  друг с другом по-иному нежели классические величины, что и демонстрируется, например, соотношением неопределенностей  для импульса и координаты. Отображая  объективные свойства атомов, соотношение  неопределенностей позволяет находить новые факты об атомах ( например,применяя его к вопросу о составе  атомного ядра, можно доказать, что  в атомном ядре не может быть электронов ). Понятие квантового импульса, соотношение  неопределенностей, как и вся  квантовая механика, отражают строение и свойства материи на ее,так сказать, атомном уровне. Квантовая механика всем своим содержанием свидетельствует  о новых гигантских успехах человеческого  разума, о том, что человек прошел еще одну существенную ступень в  своем познании и овладении законами природы. Эти взгляды на квантовую  механику представлены отечественной  наукой, а также учеными других стран: П. Ланжевен, Луи Вижье ( Франция), Д. Бом (Америка), Л. Яноши (Венгрия) и  др.

    Существуют, однако, и другие воззрения на квантовую  механику, известные под названием "копенгагенской интерпритации", исходящей из идеалистической позиции. Ее представляют прежде всего Н. Бор  и В. Гейзенберг - физики, создавшие  вместе с Э.Шредингером и

П. Дираком  квантовую механику. Суть "копенгагенской интерпритации" квантовой механики ( в изложении Бора и Гейзенберга ) сводится к следующему: сочетание  волновых и корпускулярных понятий  при описании атомных явлений  недопустимо: уж слишком они противоречивы. Но, вместе с тем, необходимо осмыслить  в понятиях физики те эксперементы, которые неопровержимо свидетельствуют  о волновых и корпускулярных свойствах  движущихся атомных объектов. Других понятий, описывающих атомные эксперементы, кроме понятий классической механики, нет. Чтобы применять без противоречий понятия классической механики, необходимо признать существующим принципиально неконтролируемое взаимодействие, между атомным объектом и прибором, которое ведет к тому, что в атомной области использование одного классического понятия ( например, импульса ) исключает другое ( координату ). С этой точки зрения понятие атома или его импульса существуют реально только при наблюдении атома прибором соответствующего класса. Развитие этих идей приводит к утверждению: если при описании поведения электронов пользоваться пространственно-временными понятиями, то обязателен отказ от причинности; если же пользоваться понятиями причинности, то столь же обязательно представлять электроны вне пространства и времени. Т. о., пространственно-временное описание и принципы причинности исключают друг друга и в этом смысле являются "дополнительными".

Руководствуясь  концепцией дополнительности, Бор и  Гейзенберг высказались за пересмотр  в квантовой механике вопроса  об объективной реальности, причинности  и необходимости.

    Вся суть в том, что "копенгагенская интерпретация" пытается решить неправильно ею же поставленную задачу: проследить за поведением атомного объекта, принципиально не выходя за рамки понятий классической механики. Когда же выясняется, что  эта задача невыполнима, отрицательный  результат такой попытки рассматривается  не как необходимое следствие  существования волновых свойств  атомных объектов, а приписываются  наличию некоторого "неконтролируемого  взаимодействия" между объектом и прибором, т. е. наличию дополнительности. Но принципиальной неконтролируемости не существует - это доказали труды  современных ученых-физиков. Теория принципиальной неконтролируемости и  дополнительности есть лишь фантастическое отражение нераздельных корпускулярно-волновых свойств микрообъекта.

Проблема  причинности.

    Бор и Гейзенберг неправильно увидели  в философском свете свои собственные  достижения в науке. Это отразилось у них и на разборе проблемы причинности, которая в современных  дискуссиях по квантовой механике занимает важнейшее место

    "Копенгагенская  интерпритация" именно потому, что она не признает объективной  реальности, существующей независимо  от наблюдения, приходит к заключению, что причинность - "неплодотворная  и бессмысленная спекуляция", устарелое понятие, на смену  которому пришло, мол, понятие  дополнительности, что квантовая  механика индетерминистична и  т. д.

    На  самом деле квантовая механика чужда  индетерминистическим концепциям. Всем своим научным содержанием она  подтверждает научный материализм  нашей эпохи.

    Вместе  с тем научный материализм  указал квантовой механике выход  из тупика индетерминизма на безграничные просторы познания закономерностей  микроявлений.

    Детерминизм, т.е. признание того, что все явления  природы, необходимо закономерно, причинно связаны друг с другом, лежит в  основе науки. Существующая в мире случайность  представляет собой форму проявления необходимости и может быть правильно  понята только в связи с необходимостью и на ее основе. Одну из форм всеобщей взаимозависимости явлений материального  мира составляет причинность. История  науки, в том числе физики и  механики, как и вся общественная практика человека, приводит к выводу, что наши знание закономерных, необходимых, причинных связей явлений природы  становится с развитием науки  и практики все более глубоким и полным, преодолевая относительную  ограниченность, свойственную науке  на отдельных ее ступенях.

    Квантовая механика дает великолепный материал для подтверждения этих положений. Открытие Гейзенбергом соотношения  неопределенностей и Шредингером  волнового уравнения, имеющего в  квантовой механике такое же значение, как законы Ньютона в классической механике, открытие своеобразных статистических законов атомных явлений, о которых  старая физика и не догадывалась, знаменовали  собой прогресс в познании объективных  закономерностей природы, дальнейшее углубление нашего знания объективных  причинных связей. Объективные закономерные, причинные связи явлений не сводятся к тем причинным связям, которые  выразила в своих уравнениях классическая механика; они бесконечно многообразнее  и "удивительнее", чем это допускал механический материализм.

    Для правильного ответа на филосовский  вопрос о причинности, поставленный квантовой механикой, важно учесть следующее положение Ленина: "Казуальность, обычно нами понимаемая, есть лишь малая  частичка всемирной связи6 но ... частичка не субъективной, а объективной реальной связи". ( 5,с. 136 )

Философские размышления  о  пространстве  и  времени.

    Достижения  физики XIX-XX вв. значительно повлияли на конкретные представления о смысле таких философских категорий, как  пространство и время.

    Современные физические представления о пространстве и времени разработаны теорией  относительности; по сравнению с  классической физикой - это новая  ступень в познании физикой объективно-реальных пространств и времени. Теория относительности, созданная великим физиком нашей  эпохи А. Эйнштейном, связала в  высшем единстве классическую механику и электродинамику, и пересмотрела основные понятия и положения  классической механики, относящиеся  к длине и длительности, к массе, энергии, импульсу и т. д., подчинив их новым физическим понятиям и положениям, полнее и глубже отражающим движущуюся материю.

    Для классической физики пространство и  время были некими самостоятельными сущностями, причем пространство рассматривалось  как простое вместилище тел, а  время - как только длительность процессов; пространственно-временные понятия  выступали как не связанные друг с другом. Теория относительности  показала односторонность такого взгляда  на пространство и время. Пространство и время органически связаны, и эта связь отражается в теории относительности, в математическом аппарате которой фигурируют так  называемые четырехмерные пространственно-временные  векторы и тензоры.Эта теория привела к выводам о зависимости  ритма часов от состояния их движения, зависимости массы от скорости, о  взаимозависимости между массой и энергией; все эти выводы широко подтверждены опытом.

    В чем же состоят основные выводы теории относительности по данному вопросу? Специальная теория относительности, построения которой было завершено  А. Эйнштейном в 1905 году, доказала, что  в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе от одной системы  отчета к другой. Старая физика считала, что если системы отсчета движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга (такое движение называется инерциальным), то пространственные интервалы ( расстояние между двумя ближними точками ), и временные интервалы ( длительность между двумя событиями ) не меняются.

    Теория  относительности эти представления  опровергла, вернее, показала их ограниченную применимость. Оказалось, что только тогда, когда скорости движения малы по отношению к скорости света, можно  приблизительно считать, что размеры  тел и ход времени остаются одними и теми же, но когда речь идет о движениях со скоростями, близкими к скорости света, то изменение пространственных и временных интервалов становится заметным. При увеличении относительной  скорости движения системы отсчета  пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются.