Тема 2. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

Лекция 2.

План:

1.Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

2.Порядок и беспорядок в природе; хаос;

1.Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

Естествознание, как и наука в целом, является частью общечеловеческой культуры, что предполагает необходимость выявления социокультурных детерминантов научного знания. Стремление к созданию обшей теории естествознания на фоне интеллектуальной атмосферы той или иной эпохи, как части истории культуры, привело к формированию культурно-исторического подхода к анализу развития науки, в рамках которого были выработаны понятия культурного фона, стиля мышления, научной картины мира, типа научной рациональности. Работы ряда физиков, философов, методологов и историков науки были посвящены поиску более емкой структурно-понятийной научной формации, чем фундаментальная те­ория, с помощью которой удалось бы найти механизмы, приводящие к революциям в науке, обосновать смену стилей мышления, научных картин мира, типов научной рациональ­ности. Наиболее известными (прижившимися в науке) являются следующие структурно-понятийные формации; научная парадигма Т. Куна, научно-исследовательских концепций описания природы.

Выделяют 4 физические исследовательские концепции, сменяющие друг друга в истории развития науки:

• механистическая исследовательская концепция;

• релятивистская исследовательская концепция;

• квантово-полевая исследовательская концепция;

• современная физическая исследовательская концепция —единая теория поля.

Механистическая исследовательская концепция предпосылкой своего возникновения имеет механику Ньютона.

Релятивистская исследовательская концепция своим возник­новением обязана попытке построения простой, свободной от противоречий электродинамики движущихся тел. Это построение было успешно осуществлено А. Эйнштейном в созданной им специальной теории относительности (СТО). Те­ория относительности базируется на новом взгляде на природу пространства и времени и является, по существу, новой кинематической теорией, критически переосмысливающей понятия пространства и времени ньютоновской механики. На смену пространству Евклида в СТО приходит четырехмерное псевдоевклидово пространство Минковского, в котором время по своему месту в физических уравнениях эквивалентно трем пространственным координатам. В специальной тео­рии относительности пространство и время не могут быть рассмотрены независимо друг от друга, а речь идет о четырех­мерном пространстве-времени. Четырехмерный формализм позволил создать адекватный математический аппарат для обобщенного описания специальной теории относительности, то есть создать базисную теорию релятивистской исследовательской программы. Все фундаментальные физические теории впоследствии были переформулированы в четырехмерном формализме.

---

Несмотря на революционность специальной теории относительности, на возникновение на ее основе новой релятивистской исследовательской программы, включающей в себя ньютоновскую механику как свой предельный случай, релятивистская исследовательская программа не привела к новому типу научной рациональности. Здесь возникает совершенно иной взгляд на пространство-время, однако вся эволюция физических явлений сохраняет идеал — классическое описание в смысле жесткой причинно-следственной, детерминированной связи явлений.

Стремление распространить принцип относительности на любые типы движения приводит Эйнштейна к созданию общей теории относительности (ОТО). Общая теория относительности лежит в основе космологии — науки о происхождении и эволюции Вселенной. Несмотря на широкий ди­апазон и спектр математических обобщений, используемых в построении ОТО, на сегодняшний день она может рассматриваться как фундаментальная теория, а именно, как классическая теория гравитации. По всей видимости, только синтез ОТО и квантовой теории поля приведет к построению базисной теории четвертой из рассматриваемых нами физических исследовательских программ — единой теории поля.

Квантово-полевая исследовательская программа. Гениальная идея, высказанная Максом Планком, о дискретном характере излучения, о корпускулярной природе света привела к возникновению квантовой механики. Квантовая механика — фундаментальная теория, позволяющая описывать поведение объектов в микромире. Основополагающей в квантовой механике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер и распространяется на все объекты микромира. Синтез релятивистской исследовательской программы и квантовой теории привел к созданию квантовой электродинамики — фундаментальной теории, описывающей электромагнитные взаимодействия.

Именно на основе этой фундаментальной теории была в дальнейшем разработана базисная теория квантово-полевой исследовательской концепции описывающей любые взаимодействия микрочастиц — электромагнитные, сильные, слабые.

На протяжении всей истории возникновения и становления квантово-полевой исследовательской программы имело место формирование нового неклассического типа научной рациональности, нового стиля мышления ученых, резко размежевывающегося с привычным классически-механистическим.

Единая теория поля. На современном этапе предпринята попытка построения единой теории поля — новой физической исследовательской программы, в которой удалось бы объединить известные четыре типа физических взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое в единое суперсимметричное суперполе. В рамках данной программы предполагается рассмотрение эволюции Вселенной из этого суперсимметричного состояния, в котором вся материя пред­ставлена только физическим вакуумом. Спонтанное нарушение симметрии вакуума в процессе расширения Вселенной и приводит к многообразию физического мира. Успех построе­ния единой теории поля связан с возможностью осуществления синтеза общей теории относительности и квантовой теории поля.

---

Разрабатываемая программа имеет целостно-синергетическую направленность и способствует формированию постнеклассического типа научной рациональности.

Основные концепции механистической исследовательской концепции:

1. Концепция использования математики как языка физической науки.

2. Концепция пространственно-временных отношений в природе.

Пространство и время являются основными категориями в физике, ибо большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В то же время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры.

3.Концепция иерархического строения материи и континуалистского характера движения.

В основу иерархического строения вещества кладется атом Демокрита, который в Новое время рассматривается как экспериментально исследуемая частица. Любая вещь считается состоящей из атомов и может быть разложена на. свои составляющие. Атом рассматривается как первичный «кирпичик» вещества, который неделим, неизменен, вечен. Атомистическая (корпускулярная) концепция содержит в себе представление о дискретной структуре вещества, ибо наряду с атомами принимает наличие пустоты между ними.

Механика Ньютона представляет собой синтез различных методологических установок его предшественников; корпускулярная концепция (атомы и пустота) у него связывается с аристотелевской континуалистскои концепцией непрерывного пространства, непрерывного времени и движения. Континуалистская концепция явилась предпосылкой создания аппарата интегрального и дифференциального исчисления и была неоспоримой парадигмой научного сообщества вплоть до открытия Планка (начало XX в.)

4.«Себетождественность» физического объекта, «внеположенность» его в пространстве и во времени.

«Себетождественность» физического объекта — это принцип, который является следствием представлений о непрерывном пустом пространстве и непрерывном времени, в котором выделено индивидуальное тело. «Себетождественность» движущегося тела гарантируется непрерывным изменением координат и непрерывным изменением времени, что позволяет одновременно и зарегистрировать существование тела, и определить его скорость между одним положением и другим. Отсюда вывод: перед нами одно и то же тело, само себе тождественное. Из непрерывности состояний «себетождественного» объекта вытекает существование дифференциальных уравнений, с помощью которых, зная начальные условия, можно с абсолютной достоверностью предсказать все последующее движение тела.

5.Детерминированность поведения физического объекта (строгая, однозначная причинно-следственная связь между конкретными состояниями объекта). Обратимость всех физических процессов.

---

Интегрирование дифференциальных уравнений сводится к вычислению траекторий движения частицы, которые дают полное описание поведения частицы как в прошлом, настоя­щем, так и в будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Достаточно точного задания начальных условий и уравнений движения тела, чтобы получить полное описание движения частицы. Собственно, основной задачей механики является определение траектории движения тела, то есть установление строгой причинной зависимости координат (положения тела в пространстве) в зависимости от времени.

Траектория - это линия, которую описывает тело в пространстве при своем движении. Подчеркнем, что в механике движение тела происходит по строго определенным траекториям, то есть вследствие «себетождественности», индивидуальности физического объекта мы всегда можем одновременно измерить и его координату и его скорость.

6.Механистическая концепция целого и части. Механистическая концепция целого и части предполагает возможность дробления целого на составляющие его элементы вплоть до последнего «кирпичика». При этом элемент целого обладает своими индивидуальными особенностями независимо от целостности, в которой он функционирует

.Корпускулярная концепции описания природы.

Корпускулярная концепции описания природы основана на достижениях квантовой механики.

При этом понятие состояния в квантовой физике включает в себя характеристики макроокружения, которые приготавливают объект определенным образом для исследования.

Вследствие фундаментальной особенности явлений мик­ромира, математическим выражением которой является со­отношение неопределенностей Гейзенберга, фиксирующее на­личие у частиц как корпускулярных, так и волновых свойств, в квантовой механике можно говорить лишь о вероятности того или иного значения динамической переменной и о сред­нем значении динамической переменной, а не об ее определенном числовом значении в данный момент времени. По­этому классическое описание движения частиц в квантовой механике теряет смысл.

Весь анализ явлений микромира проводится на языке понятий классической физики, таких как» волна и частица, постольку, поскольку мы не обладаем ины­ми понятиями. Ирония здесь состоит в том, что эти клас­сические понятия отражают свойства объектов микромира неполно и односторонне. В квантовой механике вектором состояния является волновая функция \|/. Великий австрий­ский физик Э. Шредингер, проникшись идеей Л. де Бройля о волнах материи, создал теорию, в которой дискретные ста­ционарные состояния энергии уподоблялись стоячим волнам L какой-либо системы. В аппарат квантовой теории прочно' вошло в качестве ее основного уравнения уравнение Шредингера относительно волновой функции у. Сам Шредингер интерпретировал \|/-функцию как реальный волновой процесс? в пространстве и во времени, который, в конечном счете должен приводить к отрицанию дискретных состояний и квантовых скачков. Однако дальнейшее развитие теории показало неадекватность подобных представлений, и волновая функция у стала интерпретироваться как волна вероятности, а квадрат ее модуля — как мера вероятности обладания микрообъектом определенной координаты или в другой, дополнительной к первой, физической ситуации — определенного импульса. Итак, волновая функция получила статус волны вероятности, чем еще раз подчеркивается статистический, вероятностный характер поведения микрообъектов.

---

Казалось бы, что о при­чинно-следственном описании движения объектов следует за­быть. Однако это не так. Уравнение. Шредингера описывает эволюции у-функции с течением времени, является детер­минированным и обратимым. Детерминированность и обра­тимость уравнения Шредингера определяют ситуацию в кван­товой механике, аналогичную ситуации в классической меха­нике, однако квантовая механика обладает важным отличием, состоящим в том, что в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события. Волновая функция представляет собой полную характеристику состояния: зная волновую функцию \|/, можно вычислить вероятность обнару­жения определенного значения физической величины и сред­ние значения физических величин. Существует важное раз­личие между описанием состояния в статистической физике и в квантовой механике. Статистические закономерности в классической физике являются результатом взаимодействия большого числа частиц, поведение каждой из которых опи­сывается законами классической механики. Если система состоит из малого числа частиц, то статистические законо­мерности перестают действовать, соответствующие ста­тистические понятия теряют смысл. В квантовой же механи­ке, согласно экспериментам, статистические закономернос­ти отражают свойства каждой отдельной микрочастицы.

2.Порядок и беспорядок в природе; хаос.

Впервые с хаосом в научном смысле столкнулись в броуновском движении –беспорядочном движении твердых частиц, находящихся в жидкости.

Под хаосом понимается отсутствие корреляции (взаимосвязи) процесса, его неупорядо­ченности.

Броуновское движение было объяснено в молекулярно-кинетической теории (МКТ), легло в ее основу и развито Больцманом и Максвеллом. Оно было распространено на механические свойства частиц, характеризующихся обобщен­ными параметрами — давлением, температурой, среднеквадра­тичной скоростью в отличие от конкретных составляющих, имеющих только три характеристики в микромасштабах — мгновенную скорость, координаты и массы покоя. Такая идея устранила противоречия между механикой и термодинамикой, положила начало статистической механике, совместила обра­тимость процессов (возврат к исходным параметрам) и необра­тимость роста энтропии. Планк перенес эту идею на объяснение естественного теплового излучения как процесса квантового характера, что обосновало законы фотоэффекта и ряд других, не укладывающихся в классическую электродинамику.

Наука о "хаосе" начала формироваться с середины 60-х гг. XX в., после введения понятия "порядок Шарковского". В 1963 г Э. Лоренц заметил также, что чувствительность к начальным данным ведет к хаосу: динамический хаос есть непериодичес­кое движение в детерминированных системах (то есть в таких, где будущее однозначно определяется прошлым), имеющих го­ризонт прогноза. При этом объекты, поведение которых нельзя предсказать на достаточно большие времена (необязательно на уровне микромира, на котором квантовая механика дает веро­ятностное описание Вселенной), могут быть очень простыми (например, игрушечные системы с магнитиками).

---

Смотрите также файлы

• 8.doc

• 7.doc

• 3.doc

• 4.doc

• 6.doc