Читайте также:
|
В 1927 году американцами К. Дэвиссоном и Л. Джермером и независимо от них советским ученым П.С.Тартаковским волновые свойства электронов были обнаружены в эксперименте по дифракции электронов на кристаллических структурах. Экспериментально измеренная длина волны lэ = 1,23*10-10м совпала с большой точностью с рассчитанной по формуле де Бройля. Позднее будут обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц.
Дальнейшие исследования в области микромира показали, что затруднения Бора были вовсе не случайными. Дело в том, что он в своей теории попытался объединить необъединяемое: квантование энергии и импульса электрона с представлением о нем как некоем заряженном шарике, движение которого по орбите подчиняется законом классической механики. Построение такого «кентавра» оказалось бесперспективным, но оно стимулировало ученых на пересмотр классических представлений о фундаментальных свойствах материи на уровне микромира. Микрочастицы сами по себе не являются ни корпускулами, ни волнами, ни их симбиозом. Их просто невозможно представить наглядно. Но это не мешает нам использовать условные модели и математические абстракции для объяснения их свойств - массы, спина, энергии, импульса, времени жизни и других. Микрочастицы имеют потенциальную способность проявлять корпускулярные или волновые свойства в зависимости от условий наблюдения. Наблюдая их треки в камере Вильсона, мы можем охарактеризовать корпускулярные свойства микрочастиц. Наблюдая их дифракцию на различных структурах, мы можем охарактеризовать их волновые свойства.
Рассматривая вероятностный характер поведения микрочастиц, современная наука пришла к выводу, что именно статистические, а не динамические закономерности являются фундаментальными. Это значит, что фундаментальность динамических закономерностей проявляется только в рамках механической картины мира. Законы сохранения не отменяют вероятностной природы процессов, они лишь формируют условия, при которых вероятность протекания определенных процессов равна нулю. Например, сохранение массы, импульса, энергии, заряда и других величин жестко выполняется только в закрытых системах. В квантовой механике яркой иллюстрацией этому являются правила запрета для энергетических переходов (правила отбора). Правила отбора и свойства объектов определяют характер спектров в радиоволновой, оптической и рентгеновской областях шкалы электромагнитных волн.
Применение принципа неопределенности к квантовым системам позволило объяснить такие необъяснимые с точки зрения классической физики явления как туннельный эффект (просачивание a-частиц сквозь потенциальный барьер) и ряд других. Более того, его философское осмысление показало, что случайность и неопределенность есть фундаментальное свойство природы и присуще всему, начиная от элементарных частиц до одухотворенной деятельности человека.
Гейзенберг первым поставил вопрос о влиянии наблюдателя, приборов и условий на производимый эксперимент, полученные в его ходе результаты и их интерпретацию. Если классическая физика понимает роль экспериментатора как стороннего наблюдателя, то в квантовой механике он является составной частью системы, в которой наблюдается явление, и принципиально неотделим от объекта наблюдения. Он не просто «созерцатель» событий, происходящих в исследуемой системе, он их активный участник. Используя измерительные приборы, он, пусть и незначительно, но вмешивается в ход протекающих событий. И не учитывать этого нельзя.
В процессе становления квантовой механики удалось установить некоторые фундаментальные принципы, отражающие закономерности природы и принципы, позволяющие найти соотношения между новой и старой картинами мира (принцип дополнительности, принцип соответствия, принцип неопределенности и др.). Квантовая механика смогла объяснить электронную структуру химических элементов и спектральные закономерности, обосновать периодическую систему, построить теорию химической связи, стать базой для развития квантовой химии и фотохимии. Под ее влиянием сформировались новые направления синтетической химии, сложились новые представления о строении жизненно важных биополимеров и их метаболизме (превращении) в живых организмах. Она подвела к пониманию принципиального отсутствия абсолютного знания и внешнего абсолютного наблюдателя, к признанию его частью развивающейся системы, и существенно повлияла на представление о причинно-следственных связях, заложенное в классическом детерминизме.
Рождение квантовой механики было сложным и трудным. Ее понятия, представления и абстракции нелегко давались и самим ученым. Об этом свидетельствуют их собственные многочисленные воспоминания о том, как мучительно шел процесс становления знаний, поисков философских обоснований теории и смены мировоззрения. Планк, выдвинувший квантовую гипотезу, до конца жизни тяготился ею и пытался искать компромиссные варианты. Эйнштейн, сомневаясь в вероятностном характере поведения микрочастиц, утверждал: «бог не играет в кости», Шредингер, получивший свое знаменитое уравнение, поначалу затруднялся объяснить физическую суть волновой функции. Гейзенберг до последних дней пытался найти «мировую формулу» - уравнение, из которого можно получить весь спектр свойств элементарных частиц.
Вслед за рождением квантовой механики последовал целый каскад принципиальных изменений в других областях естествознания, в основу которых были заложены новые представления о структуре микромира. В химии - это, прежде всего, квантовая химия, в биологии - новый виток в развитии молекулярной биологии и молекулярной генетики. Развитие идей квантовой механики способствовало появлению и развитию новой экспериментальной техники и новых теоретических методов исследования строения вещества (молекулярная, атомная и ядерная спектроскопия, квантовая теория проводимости, нелинейная оптика и т.д.). Благодаря квантовой механике на новую ступень поднялась ядерная физика, что имеет огромное значение для жизни человечества: это возможности использования энергии ядра, поиски путей получения энергии за счет термоядерных реакций. Но у достижений квантовой механики есть и другая сторона. Ее исследования напрямую способствовали разработке ядерного и термоядерного оружия, оружия такой разрушительной силы, которая в один момент способна разрушить мировую цивилизацию.
3. Строение материи и физика элементарных частиц
Проблема поиска «первокирпичиков» Мироздания занимала ученых и философов со времен античности. Но по-настоящему заняться ее решением оказалось возможным только в ХХ веке, когда были разработаны для этого экспериментальная техника и математический аппарат. Развитие физики элементарных частиц позволило разработать протонно-нейтронную теорию строения ядра атома (Д.Д.Иваненко, В.Гейзенберг). Ядро, как и атом, оказалось сложной системой взаимодействующих элементарных частиц.
Сегодня выделяют четыре уровня организации микромира: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый.
Изучая явления микромира, физики пытаются найти взаимосвязь между разными видами взаимодействий и построить их объединенную теорию. Еще Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитных взаимодействий с гравитационными. В семидесятых годах нашего столетия была высказана гипотеза, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент.
Предполагается, что некоторые элементарные частицы излучают и поглощают кванты электрослабого поля, и многочисленные опыты это подтверждают, хотя идея не считается полностью доказанной. Были высказаны гипотезы о том, что на расстояниях 10-18 м слабые взаимодействия объединяются с электромагнитными, а на расстояниях - 10-32 м электрослабые взаимодействия объединяются с сильными. Может быть это и так, но ученые пока не умеют работать со столь малыми расстояниями.
Новые представления о структуре материи и объединении взаимодействий ученые связывают с динамическим (физическим) вакуумом. По классическим представлениям вакуум - это абсолютная пустота. Но таковой не бывает. Не зря говорят «природа не терпит пустоты». Если даже из сосуда удалить все вещество, которое в нем находится, то при этом все-таки не получится классической пустоты. Отсутствие вещества еще не означает отсутствия поля. Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества (то есть вакуум - это невозбужденное состояние поля). Вследствие случайных процессов возможны слабые флуктуации (нулевые колебания) этого состояния.
4. Соотношение классической, релятивистской и квантовой картин
Классическая механика обнаружила пределы своих возможностей в объяснении атомных и молекулярных спектров, поведения теплоемкости твердых тел, движения тел со скоростями, соизмеримыми со скоростью света, и других явлений. Для их описания были созданы новые системы определений, понятий, аксиом, постулатов, которые легли в основу квантовой и релятивистской механик - новых моделей описания природы. К классическим концептуальным системам физики присоединились неклассические. Но это не простое объединение, оно связано с ломкой старых и возникновением новых представлений о пространстве, времени и причинности. Оно изменило образ физической мысли. В результате этого объединения произошла смена парадигмы физической науки.
Но это не значит, что законы классической механики оказались несправедливы. Вот что по этому поводу пишет В.Гейзенберг в своей классической работе «Физика и философия»: «Всюду, где понятия механики Ньютона могут быть применены для описания процессов природы, законы, сформулированные Ньютоном, также являются справедливыми и не могут быть улучшены. Электромагнитные же явления не могут быть должным образом описаны с помощью системы понятий ньютоновской механики. Поэтому эксперименты над электромагнитными полями и световыми волнами совместно с их теоретическим анализом, проведенным Максвеллом, Лоренцом и Эйнштейном, привели к новой замкнутой системе определений, аксиом и понятий, к системе, являющейся также непротиворечивой и замкнутой, что и система ньютоновской механики, хотя она существенно отлична от системы Ньютона».
Это значит, что не только классическая механика, но и вся классическая наука имеет границы применимости, в рамках которых она была и остается полностью справедливой. На основе классической механики работают все машины и механизмы, строятся здания и сооружения. Классическая термодинамика лежит в основе работы тепловых двигателей, классическая электродинамика - в основе работы электрических установок. И совсем ни к чему при исследовании явлений макромира (например, движения автомобиля по дороге или работы электродвигателя) использовать представления релятивистской или квантовой физики. В условиях макромира эти эффекты будут настолько малы, что у нас не найдется приборов, чтобы их измерить, и более того, такие малые эффекты не повлияют на характер движения макротел.
Классическая механика является частным случаем других более сложных моделей и при определенных условиях соотношения релятивистской или квантовой механики переходят в соотношения классические, то есть новые теории, претендующие на более широкую область применимости, чем старая, включают последнюю в качестве предельного случая, т.е выполняется принцип соответствия.
Однако и неклассическая наука не может ответить на множество вопросов, связанных с пределами познаваемости мира, единства разных типов взаимодействий, пределом делимости материи и многих других. По сравнению с классической наукой она расширила пределы познания, перевела его на новый, более сложный уровень, но, как и классическая наука, она оказалась ограниченной и бессильной в создании подлинно единой научной картины мира. К середине ХХ столетия оформились отдельные ее части, взаимосвязь между которыми просматривалась лишь на уровне общефилософских идей о развитии. Мощный всплеск интегративных тенденций в науке, ускорение процессов междисциплинарного синтеза в поисках механизмов взаимосвязи природы, человека и общества и общих закономерностей их развития стали подножием для становления постнеклассической науки, сформировавшей новые познавательные модели, в рамках которых стало возможным описать мир как единую развивающуюся суперсистему.
5. Постнеклассическая наука
В первой трети ХХ столетия механистическое мировоззрение, исходящее из представлений о линейности, определенности и однозначности причинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме более простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, +-описании биологических и социальных явлений, но и в фундаменте естествознания - физике. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, она изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельными элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. К описанию их поведения не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир является неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, которые затрудняется познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая наука. Более того, была выявлена масса противоречий, которые с их точки зрения кажутся неразрешимыми. Так, используя модель закрытой системы, II начало термодинамики и представления об энтропии, классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций. Эта направленность процессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремлением ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состояние хаоса. Но в окружающем мире наряду с процессами деградации идут и процессы созидания порядка из хаоса, процессы связанные с самопроизвольным уменьшением энтропии. Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергетической точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорганизация (самоупорядочение)? Разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очередной раз естественные науки оказалась в тупике, и были поставлены перед необходимостью перехода к новым качественным представлениям об окружающем мире. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изучению лежит в области современной техники - проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования, планирования, их компьютерного обеспечения и т.д.
Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиальную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств. В числе первых научных дисциплин, поставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвистика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимосвязанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования - процессразвития, общие принципы самоорганизации и эволюции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности смены их качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно-временная развертка этого процесса.
Однако на пути понимания и описания сложного наука столкнулась с существенными трудностями, которые заключались в отсутствии понятийного аппарата, необходимых средств и методов исследования, неразработанностью лежащих в их основе исходных философских и логико-методологических положений. И, несмотря на грандиозные успехи в этом направлении эти трудности во многом остаются до сих пор неразрешенными.
К числу важнейших постнеклассических концепций, которые находят свое приложение практически во всех областях знания и деятельности, следует отнести теорию систем, теорию информации, теорию самоорганизации и теорию управления. Эти концепции имеют выдающееся значение для современной теории познания, составляют методологическую основу интеграции разнопредметных знаний в описании единства мира и способов его постижения, являются базой для понимания общности механизмов развития природных, социальных и технологических систем, оказываются крайне важными для осознания необходимости коэволюции природы, общества и культуры в обеспечении устойчивого развития человечества.
Новые понятия и термины: релятивизм, постулат, интервал, квант, стационарное состояние, правила отбора, квантовое число, спин, волновая функция, плотность вероятности, оператор, соотношения неопределенности.
Ведущие идеи:
- зависимость свойств объектов (масса, размеры) и времени протекания процессов от скорости движения системы отсчета, в которой находится объект или протекает процесс;
- взаимосвязь тяготения и геометрии пространства;
- эквивалентность массы и энергии;
- принцип дополнительности как важнейший методологический принцип познания;
- вероятностность поведения характерна не только для коллектива частиц, но и для одной, отдельно взятой элементарной частицы;
- все законы микромира носят статистический характер;
- случайность и неопределенность есть фундаментальное свойство природы,
- в исследовании структуры вещества наступил предел экспериментальных возможностей науки в обнаружении еще более элементарных частиц;
- рождение постнеклассической науки.
Дата добавления: 2014-12-15; просмотров: 41 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |