Эволюция физической картины мира. Механическая, электромагнитная и квантово-релятивистская картины мира как этапы развития физического познания.

С развитием естествознания происходит изменение видения предметных областей наук, что порождает эволюцию естественно-научной картины мира, приводит к пересмотру ранее сложившихся представлений о действительности. Смена физической картины мира, как правило, связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи был осуществлен переход к  полевым, континуальным, а затем к квантовым представлениям о строении материи. Отсюда и три физических картины мира: механистическая, электромагнитная и квантово-полевая.

Механистическая картина мира.

Механистическая картина мира сложилась при переходе от эпохи Возрождения к эпохе Нового времени. Важнейшую роль в ее построении сыграли такие философские принципы, как принцип материального единства мира, принцип причинности и законосообразности природных процессов. В это же время был сформулирован принцип экспериментального обоснования знания, отказ от созерцательности и установка на соединение экспериментального исследования природы с описанием ее законов на языке математики. Последнее положение стало одним из ключевых, резко отграничив науку Нового времени от средневековой науки.

Среди тех ученых, кто подготовил механистическую картину миру следует назвать Леонардо да Винчи (1452-1519) с его механикой, Н. Коперника (1473-1543) с его гелиоцентрической системой. Огромную роль сыграло  экспериментальное естествознание Г. Галилея (1564-1642), законы небесной механики И. Кеплера (1571-1630), механика И. Ньютона (1643-1727).

Основные положения  механистической картины мира можно сформулировать так:

1.      Материя – это вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул; атомы неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Это так называемая корпускулярная модель реальности:

2.      Вводится концепция абсолютного пространства и времени. Абсолютное пространство – это чистое и неподвижное вместилище тел. Оно трехмерно, изотропно. Абсолютное время – это чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Время одномерно, оно течет от прошлого к будущему.

3.      Движение – это  простое механическое перемещение. Законы движения – фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения возникают в результате действие на них внешней силы. Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей.

4.      Принцип дальнодействия:  взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

5.      Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Детерминизм (лат. determino – определяю) – это учение о закономерной универсальной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений объективной действительности. Случайность исключается из данной картины мира.

6.      Присутствует тенденция сведения закономерностей высших форм движения материи к закономерностям простейшей его формы – механическому движению.

7.      Признаются только динамические законы. Динамический закон – физический закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний.

Электромагнитная картина мира.

В XIX в. к числу основных свойств, описывающих тела наряду с массой, стали добавлять такую характеристику, как электрический заряд. Английскому физику М. Фарадею опытным путем удалось показать, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, введя понятие электромагнитного поля. Так сложилась концепция поля, ставшая фундаментальной в последующей физике.

В основе данной картины мира начала электромагнетизма М.Фарадея (1791-1867), теория электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879), электронная теория Г.А. Лоренца (1853-1828), постулаты специальной теории относительности А. Пуанкаре (1854 -1912).

Основные положения можно сформулировать так:

1.      Материя – это  единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем, а мир понимается как электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Это так называемая континуальная модель реальности:

2.      Введено понятие вероятности.

3.      Движение представляет собой распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики.

4.      Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

5.      Релятивистская концепция пространства и времени.

Квантово-полевая картина мира.

Квантовая механика сформировалась при изучении свойств объектов микромира — атомов и составляющих его частиц. Последовательное развитие идей квантовой механики привело к тому, что движение частиц в пространстве стало невозможно отождествлять с механическим движением макрообъекта. Частице вообще нельзя приписать определенную координату, ее движение описывается своеобразной волновой функцией, амплитудами волн вероятности. В соответствии с этим мы можем найти лишь вероятность нахождения частицы вблизи данной точки пространства, причем выполняется один из наиболее фундаментальных принципов квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга.

В современной физике квантовые и релятивистские представления синтезированы в единую картину мира, что позволяет говорить о квантово-релятивистской картине мира. В ней, фундаментальными абстракциями являются понятия частиц и полей, переносчиков взаимодействий.

В основе данной физической картины мира квантовая гипотеза М. Планка (1858-1947), волновая механика Э. Шредингера (1887-1961), квантовая механика В. Гейзенберга (1901-1076), квантовая теория Н. Бора (1885 - 1962).

Основные положения данной картины мира можно сформулировать так:

1.Квантово-полевые представления о материи, причем материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы.

2.Картина физической реальности в квантовой механике включает в себя 1) характеристики исследуемого объекта; а также 2) условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик.

3.При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы.

4.Движение - частный случай физического взаимодействия. Под физическим взаимодействием в узком смысле слова, понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.

5.Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности.

Принцип дополнительности Бора - в области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы выражаются с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другого.

Принцип неопределенности Гейзенберга - нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей.

Квантово-полевые представления о закономерности и причинности предполагают оперирование статистическими законами. Статистический закон – это физический закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении.

Следует заметить, что современная физическая картина мира включает в себя такие положения:

1.Строении материи предполагает в ее основе шестнадцать фундаментальных частиц и античастиц:

- четыре лептона (электрон, позитрон, электронное нейтрино и антинейтрино);

- два вида кварков с дробными электрическими зарядами (-1/3) и (+2/3), причем каждый вид в трех разновидностях (красный, зеленый и синий);

- соответствующие антикварки.

2.  Многообразие и единство мира основывается на взаимодействии и взаимопревращении фундаментальных частиц и античастиц.

3. Движение есть проявление фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного), переносчиками которых являются фотоны, глюоны и промежуточные бозоны.

4. Представления об основе мироздании складываются на основе разработки единой теории поля, объединяющей все фундаментальные взаимодействия (теории «Великого объединении», теории «Сверхвеликого объединения»).

5. Природа рассматривается в движении и развитии. В физике используется диалектический метод, когда вещество и поле, частица и волна, масса и энергия и т.д. рассматриваются в диалектическом единстве.

6. Принципиальные особенности современных представлений о мире: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность – определяют их общий контур и способ организации научного знания.

7. Современные представления характеризуются как научно-методологические, ибо объективная картина мира опосредуется методом познания субъекта.

Физическая реальность имеет определенную структуру:

• Мегамир – мир больших космических масштабов и скоростей; пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время измеряется в миллионах и миллиардах лет.
• Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле; пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах; время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.
• Микромир – мир микрообъектов, предельно малых масштабов, пространственные характеристики исчисляются от 10-8  до 10  -16 см, время измеряется от бесконечности до 10-24 см.