Механическая картина мира: возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона); открытие фундаментального взаимодействия

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………….3
2. Возникновение концепции взаимодействия……………………………...4
3. Открытие фундаментального взаимодействия…………………………...7
4. Принятие концепции дальнодействия…………………………………...10
5. Заключение………………………………………………………………..12
6. Список использованной литературы……………………………….……13

Введение

Само  понятие «научная картина мира» появилось в естествознании и философии в конце XIX в., однако специальный, углубленный анализ его содержания стал проводиться с 60-х годов XX века. И, тем не менее, до сих пор однозначное толкование этого понятия не достигнуто. Дело, по-видимому, в том, что само это понятие несколько размыто, занимает промежуточное положение между философским и естественнонаучным отражением тенденций развития научного познания. Так существуют общенаучные картины мира и картины мира с точки зрения отдельных наук, например, физическая, биологическая, или с точки зрения каких-либо господствующих методов, стилей мышления  - вероятностно-статистическая, эволюционистская, системная, информационно-кибернетическая, синергетическая и т.п. картины мира. В то же время, можно дать следующие объяснение понятия научной картины мира (НКМ).

Научная картина мира включает в себя важнейшие  достижения науки, создающие определённое понимание мира и места человека в нем.  В неё не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса. При этом НКМ не является совокупностью общих знаний, а представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы.

В отличие  от строгих теорий НКМ обладает необходимой  наглядностью, характеризуется сочетанием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей.

Особенности различных картин мира выражаются в  присущих им парадигмах.

Парадигма (от греч. – пример, образец) – совокупность определённых стереотипов в понимании объективных процессов, а также  способов их познания и интерпретации.

Таким образом, можно дать следующее определение НКМ: НКМ – это  особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное обобщение, мировоззренческо-методологический синтез различных научных теорий.

В истории  науки научные картины мира не оставались неизменными, а сменяли друг друга, таким образом, можно говорить об эволюции научных картин мира. К настоящему времени наиболее подробно изучена эволюция физических картин мира: натурфилософской – до XVI-XVII вв., механистической – до второй половины XIX в., термодинамической (в рамках механистической теории) в XIX в,  релятивистской и квантово-механической в XX в.

Физическая  картина мира создаётся благодаря фундаментальным экспериментальным измерениям и наблюдениям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие понимание природы. Физика – это экспериментальная наука, поэтому она не может достичь абсолютных истин (как и само познание в целом), поскольку эксперименты сами по себе несовершенны. Этим обусловлено постоянное развитие научных представлений. 

Возникновение концепции взаимодействия

В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется силой (третий закон Ньютона, согласно которому силы взаимодействия двух материальных точек в инерциальной системе отсчета равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей точки). Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия. Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче; при этом передача происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состояла так называемая концепция дальнодействия. Однако эти представления были оставлены, как не соответствующие действительности, после открытия и исследования электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на др. частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. В пространстве между частицами происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Соответственно имеется «посредник», осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая электрически заряженная частица создаёт электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - 300 000 км/сек. Возникла новая концепция — концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределённых в пространстве. Так, всемирное тяготение осуществляется гравитационным полем.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно этой теории, любое поле состоит из частиц — квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Заряженные частицы непрерывно испускают и поглощают фотоны, которые и образуют окружающее их электромагнитное поле. Электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами, т. е. фотоны являются переносчиками этого взаимодействия. Аналогично, другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.

В современной  физике принято представление о  четырёх фундаментальных типах физического взаимодействия.

1. Сильное взаимодействие - самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В этом взаимодействии участвуют элементарные частицы, именуемые адронами. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия около 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия - ядерные силы.
2. Электромагнитное взаимодействие по «силе» занимает следующее положение после сильного взаимодействия. В нём участвуют частицы, имеющие электрический заряд (или магнитный момент). Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля - фотоны. Это взаимодействие является дальнодействующим. Оно определяет взаимодействие между ядрами и электронами в атомах и молекулах, поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, проявляющихся в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, химическая связь и т.д. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн.
3. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы (кроме фотона). Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2 – 10-16 см. Это взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др.
4. Гравитационное взаимодействие - присущее всем видам материи взаимодействие, самое слабое из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц; имеет характер притяжения.

 В  настоящее время разработана  объединённая теория электромагнитного и слабого взаимодействий (электрослабое взаимодействие). Существуют модели, включающие и сильное взаимодействие (великое объединение). Делаются попытки описать все четыре взаимодействия на единой основе.

Открытие  фундаментального взаимодействия

На склоне своих дней Исаак Ньютон рассказал, как произошло открытие закона всемирного тяготения: он гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на неё воздействует какая-то сила, которая удерживает её от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.

Чтобы в полной мере оценить весь блеск  этого прозрения, давайте ненадолго  вернемся к его предыстории. Когда  великие предшественники Ньютона, в частности Галилей, изучали равноускоренное движение тел, падающих на поверхность Земли, они были уверены, что наблюдают явление чисто земной природы — существующее только недалеко от поверхности нашей планеты. Когда другие учёные, например Иоганн Кеплер, изучали движение небесных тел, они полагали что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, нежели законы, управляющие движением здесь, на Земле. История науки свидетельствует, что практически все аргументы, касающиеся движения небесных тел, до Ньютона сводились в основном к тому, что небесные тела, будучи совершенными, движутся по круговым орбитам в силу своего совершенства, поскольку окружность — суть идеальная геометрическая фигура. Таким образом, выражаясь современным языком, считалось, что имеются два типа гравитации, и это представление устойчиво закрепилось в сознании людей того времени. Все считали, что есть земная гравитация, действующая на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, действующая на совершенных небесах.

Прозрение же Ньютона как раз и заключалось  в том, что он объединил эти  два типа гравитации в своём сознании. С этого исторического момента искусственное и ложное разделение Земли и остальной Вселенной прекратило свое существование.

Результаты  ньютоновских расчётов теперь называют законом всемирного тяготения Ньютона. Согласно этому закону между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Как и все физические законы, он облечен в форму математического уравнения. Если M и m — массы двух тел, а D — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна:

F = G*M*m/D2,

где G — гравитационная константа, определяемая экспериментально. В единицах СИ ее значение составляет приблизительно 6,67 × 10–11.

Относительно  этого закона нужно сделать несколько  важных замечаний. Во-первых, его действие в явной форме распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Второй момент заключается в том, что сила притяжения Земли у её поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. Если бросить какой-либо, он под действием всё той же силы равноускоренно устремится к земле. Галилею первому удалось экспериментально измерить приблизительную величину ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли. Это ускорение обозначают буквой g. Для Галилея g было просто экспериментально измеряемой константой. По Ньютону же ускорение свободного падения можно вычислить, подставив в формулу закона всемирного тяготения массу Земли M и радиус Земли D, помня при этом, что, согласно второму закону механики Ньютона, сила, действующая на тело, равняется его массе, умноженной на ускорение. Тем самым то, что для Галилея было просто предметом измерения, для Ньютона становится предметом математических расчетов или прогнозов. Наконец, закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы, и законы Кеплера, описывающие траектории движения планет, могут быть выведены из него. Для Кеплера его законы носили чисто описательный характер — учёный просто обобщил свои наблюдения в математической форме, не подведя под формулы никаких теоретических оснований. В великой же системе мироустройства по Ньютону законы Кеплера становятся прямым следствием универсальных законов механики и закона всемирного тяготения. То есть мы опять наблюдаем, как эмпирические заключения, полученные на одном уровне, превращаются в строго обоснованные логические выводы при переходе на следующую ступень углубления наших знаний о мире.

Картину устройства Солнечной системы, вытекающую из этих уравнений и объединяющую земную и небесную гравитацию, можно понять на простом примере. Предположим, вы стоите у края отвесной скалы, рядом с вами пушка и горка пушечных ядер. Если просто сбросить ядро с края обрыва по вертикали, оно начнёт падать вниз отвесно и равноускоренно. Его движение будет описываться законами Ньютона для равноускоренного движения тела с ускорением g. Если теперь выпустить ядро из пушки в направлении горизонта, оно полетит — и будет падать по дуге. И в этом случае его движение будет описываться законами Ньютона, только теперь они применяются к телу, движущемуся под воздействием силы тяжести и обладающему некой начальной скоростью в горизонтальной плоскости. Теперь, раз за разом заряжая в пушку всё более тяжелое ядро и стреляя, обнаружится, что, поскольку каждое следующее ядро вылетает из ствола с большей начальной скоростью, ядра падают всё дальше и дальше от подножия скалы.

Теперь  представим, что можно забили в пушку столько пороха, что скорости ядра хватает, чтобы облететь вокруг земного шара. Если пренебречь сопротивлением воздуха, ядро, облетев вокруг Земли, вернется в исходную точку точно с той же скоростью, с какой оно изначально вылетело из пушки. Что будет дальше, понятно: ядро на этом не остановится и будет и продолжать наматывать круг за кругом вокруг планеты. Иными словами, мы получим искусственный спутник, обращающийся вокруг Земли по орбите, подобно естественному спутнику — Луне. Так мы поэтапно перешли от описания движения тела, падающего исключительно под воздействием «земной» гравитации (ньютоновского яблока), к описанию движения спутника (Луны) по орбите, не изменяя при этом природы гравитационного воздействия с «земной» на «небесную». Вот это-то прозрение и позволило Ньютону связать воедино считавшиеся до него различными по своей природе две силы гравитационного притяжения. 

Принятие  концепции дальнодействия

Дальнодействие (непосредственное действие тел на расстоянии) и короткодействие (близкодействие) — две концепции классической физики, противоборствовавшие на заре её становления.

Согласно  концепции дальнодействия, тела действуют  друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Таковы электрические и магнитные силы, а также силы притяжения небесных тел — Земли, Солнца и т. п. (раньше силы, действующие между небесными телами, называли силами всемирного тяготения, но теперь предпочитают говорить просто о притяжении, или силе тяжести, гравитации). Приливы и отливы у морских берегов — следствие влияния лунного притяжения на Землю. Вращение Земли, Марса, Венеры и других планет вокруг Солнца обусловлено притяжением центрального светила, которое не позволяет планетам слишком удалиться.

Рассмотрим,к примеру, два тела, подвешенные на нитках к горизонтальному диэлектрическому стержню под колоколом вакуумного насоса. Если одному телу сообщен положительный, а другому — отрицательный электрический заряд, то нитки не будут свисать вертикально вниз, а застынут в наклонном положении, при котором тела будут приближены друг к другу. В вакууме под колоколом нет среды, которая передавала бы электрическую силу от одного тела к другому. Тем не менее, тела притягиваются друг к другу. Похожим образом действует также и магнитная сила.

Существование в природе силы тяжести, электрической  и магнитной сил очень затрудняет попытки найти единый закон передачи силы от тела к телу. Как ясно из рассмотренных  примеров, электрическая, магнитная  и гравитационная силы для своей передачи не нуждаются в какой-либо промежуточной среде, а действуют непосредственно на удалённого партнера, поэтому их называют силами дальнодействия (взаимодействие на расстоянии). Напротив, обычные силы, с которыми люди постоянно сталкиваются в повседневной жизни, такие, как сила удара молотка по гвоздю, подъёмная сила самолета и т. п., получили общее название сил близкодействия (взаимодействие через соприкосновение). Если отвлечься от трёх (представляющих исключение) сил дальнодействия, то все остальные обычно встречающиеся силы (их явное большинство) являются близкодействующими. Поэтому предпринимались настойчивые попытки как-то включить три исключительные силы в семейство сил близкодействия. В результате была изобретена удивительная среда, получившая название «эфир». 
 
 

Заключение

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы

1. Мякишев Г. Я., Силы в природе, 3 изд., М., 1969.
2. Давыдов A.C. Теория атомного ядра. М., 1958.
3. Ландау Л.Д., Смородинский Я.А. Лекции по теории атомного ядра. М., 1955.
4. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М., 1980.
5. Громов С.В. Физика. 9 класс / С.В.Громов. - М.: Просвещение, 2002