1. Исторические этапы развития физики
Истоки физики как науки уходят в античную культуру, когда и появился сам термин «fusis». В древне-греческом языке данным понятием обозначалась природа как таковая, затем – все знания о природе, и только в эпоху Возрождения термин «физика» стал ассоциироваться с конкретной естественно-научной дисциплиной.
История физики тесно связана с античной философией. В ней была поставлена проблема первоосновы мира, сформулировано понятие субстанции, заложена традиция объяснения природных процессов с объективной точки зрения; предпринимались попытки создания целостной концепции мироздания, но с умозрительных позиций. Например, натурфилософы Древней Греции полагали, что исходными элементами мира являются вода, воздух, земля, огонь, их соединения; Левкипп и Демокрит ввели представление об атоме как неделимом первоначале мира.
В древних цивилизациях развивались и астрономические представления. Античные астрономы высказали предположение, что Земля является круглой и измерили ее диаметр (Эратосфен, III в. до н. э.). Систематизацию физических знаний провел Аристотель. В древних цивилизациях Центральной Америки, Междуречья, Китая был создан календарь, определялось положение звезд, изобретены астрономические приборы, велось наблюдение и предсказание астрономических явлений.
Результатами этого периода стало выделение физики, как области знаний, направленной на изучение природы и введение абстрактно-логических способов объяснения явлений.
В Средние века теоретический уровень физики не был востребован, но практические знания развивались, поскольку происходила механизация некоторых видов деятельности. Например, были созданы рычаги и блоки, что использовалось в строительстве.
Задача освоения природы, сформулированная в эпоху Возрождения, могла быть эффективно решена только с помощью научного естествознания, поэтому в философии особое место заняла проблематика научно-познавательной деятельности, методологии, философии природы.
Успехи науки наиболее ярко проявились в астрономии, механике, математике. Польский астроном Николай Коперник (1473-1543) подверг критическому переосмыслению геоцентрическую картину мира Аристотеля - Птолемея, согласно которой земля считалась неподвижным центром видимого мира. В своей работе "Об обращениях небесных сфер" он восстановил гелиоцентрические идеи Аристарха Самосского, пифагорейцев, Платона и доказал, что Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Это позволило объяснить смену дня и ночи, видимое движение звезд относительно Земли и Солнца относительно звезд, вращение Луны вокруг Земли, произвести реформу календаря. Планетная теория Коперника отличалась логической стройностью, закономерностью, простотой, в ней использовался развитой математический аппарат и метод математического моделирования, указывалась реальная физическая причина движения - все это закладывало основы новой картины мира и новых эталонов научного исследования. Поэтому открытия Коперника были оценены впоследствии не только как революция в естествознании, но и как универсальный переворот в культуре в целом.
Итальянский астроном Джордано Бруно (1548-1600) объединил методологический принцип Коперника и идею Николая Кузанского об однородности и бесконечности Вселенной. На этой основе он пришел к построению концепции о множественности планетных систем в бесконечной Вселенной, о различии расстояний до небесных тел, о непрерывном обмене космическим веществом как причине изменений тел, о саморазвитии природы, об общей субстанциональной (вещественной) природе элементов. Оригинальные натурфилософские идеи Бруно на несколько столетий опередили развитие наблюдательных знаний и современную картину вечной, никем не сотворенной, вещественно единой бесконечно развивающейся Вселенной с множеством обитаемых миров в ней.
Современник Д.Бруно - датский астроном Тихо Браге (1546-1601) вошел в историю науки тем, что положил начало созданию приборного инструментария, предложил усовершенствованную методику наблюдений и измерений. Одним из принципов его методики была систематичность астрономических наблюдении. В течение 20 лет Тихо Браге осуществил несколько тысяч наблюдений Солнца, 16 лет вместе со своим учеником Кеплером он наблюдал и измерял положения Мapca. Исследования ученого отличались высокой точностью и стали основой создания истинной механики неба.
Выдающимся последователем Коперника стал и Галилео Галилей (1564-1642), гармонично соединивший в своем творчестве собственно научные - астрономические исследования и их философско-методологическое обоснование. Методология естествознания, считал Галилей, должна быть основана на сочетании экспериментальных исследований и их математического описания. Эксперименты дают возможность изучения объектов в изменяющихся условиях и значительно расширяют перспективы практического освоения природы, а математический аппарат позволяет теоретически обосновать, формализовать, доказать знания, выразить их в едином и понятном для научного сообщества языке.
Развитие научного метода позволило Галилею сделать важные открытия в механике и астрономии. Он впервые построил экспериментально-математическую науку о движении - кинематику; с помощью телескопа подтвердил многие умозрительные гипотезы, сделал вывод о звездном составе туманностей, обнаружил спутники у Юпитера и фазы у Венеры. Два последних открытия долгое время оставались единственными фактическими доказательствами истинности теории Коперника.
Немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер (1571-1630) изучал точные законы гелиоцентрического планетного мира и открыл законы планетных движений. Законы Кеплера доказывали, что движением планет управляет Солнце - сила физического характера, а не божественная воля или инерция. Тем самым был сделан важнейший шаг в развитии механики неба и физики. Работы Кеплера способствовали завершению формирования небесной и общей механики в физической картине И. Ньютона. Его естественнонаучные и философские взгляды оказали существенное влияние на Р. Декарта и И.Канта.
Успехи естествознания активизировали развитие натурфилософии (или философии природы), основные принципы которой сложились еще в античности. Греческие философы - пифагорейцы, Платон - сформировали традицию рассмотрения природы как целостного, гармоничного явления, функционирующего по определенным законам, но им было свойственно умозрительное истолкование природных процессов. Натурфилософия Возрождения строилась на сочетании умозрительно постулируемых идей и принципов с результатами естествознания. Сами натурфилософы зачастую занимались научным изучением определенного аспекта реальности, Заметный вклад в философию природы внесли: Николай Кузанский, Парацельс, Б.Телезио, Ф.Патрици, Д.Бруно, Дж.Кампанелла, Дж.Кардано, Леонардо да Винчи, Тихо Браге, И.Кеплер и др. В основе натурфилософии этого периода лежат пантеистические представления, идея тождества микро- и макрокосма (человека и мира), концепция гилозоизма (от греч. - вещество и жизнь), принцип целостного рассмотрения природы, сочетание опытного и теоретического познания ее.
Таким образом, философия Возрождения восстановила ценностный статус философии природы, мировоззренчески адаптировала важнейшие открытия в естествознании, разработала основы методологии научного познания, что создавало условия для принятия общественным сознанием относительно новых ценностей - науки и техники.
В XVII-XVIII вв. произошло утверждение и широкое распространение этой картины мира, проявились ее первые практические результаты. В XVII в. острое соперничество религиозного и научного мировоззрении завершается утверждением научно-рационального отношения к миру. В этот период дисциплинарно оформились многие естественные науки: астрономия, физика, оптика, химия, геология, география, биология, математика. В частности, в математике были открыты таблицы логарифмов, интегральное и дифференциальное исчисление; в астрономии - строение солнечной системы и законы движения планет; в физике - законы механического движения, явления магнетизма и электричества; в биологии - микроорганизмы и система кровообращения у человека. Не случайно, поэтому ХУП век назван "веком великих таблиц знания". Становление теоретического естествознания сопровождалось ростом количества технических изобретений: изобретены микроскоп, телескоп, воздушный насос.
Интенсивное развитие наук привело к созданию специальных научных центров - Академий наук: Академия Зорких в Риме, Академия опыта во Флоренции, Лондонское королевское общество, Французская Академия наук. Такие ученые-универсалы, как: И.Кеплер, Г.Галилей, В.Гилберт, Б.Паскаль, Бойль и Мариотт, Р.Декарт, Ф.Бэкон, И.Ньютон, Г.В.Леибниц, Б.Спиноза составили первое в истории Европы научное сообщество.
В XVIII в. эти процессы расширились, углубились и охватили практически все этажи культурной жизни. В Великобритании началась промышленная революция, которая постепенно распространилась и на другие страны. Она изменила характер деятельности - в экономике становится ведущим промышленное, машинное производство, возрастает роль научных, технических, инженерных, экономических знаний.
Общественные преобразования повышали статус знаний. Если раньше производителями и носителями знаний были ученые и философы, то теперь возникла потребность в широкой грамотности, образованности, просвещенности. Поэтому XVIII век получил название эпохи Просвещения. Наиболее яркими представителями научно-философской мысли этой эпохи были: Д. Локк, Д. Беркли, Д. Юм, (Великобритания); Д. Дидро, Д(Аламбер, Ж. -Ж. Руссо, К.А. Гельвеций (Франция); И. Гете, (Германия); М.В. Ломоносов, А.Н. Радищев (Россия).
Следовательно, в Новое время на основе дальнейшего развития теоретического естествознания, роста количества технических изобретений, создания специальных научных центров - Академий наук - дисциплинарно оформилась астрономия и сформировалась классическая физика. Ее основным достижением стало создание первой физической картины мира. Она носила механистический характер и строилась на сочетании физического эксперимента и математического доказательства.
В широком смысле слова механицизм – это фундаментальная позиция, объясняющая все многообразие явлений природного мира пространственными перемещениями частиц вещества, которым приписывается минимальное количество свойств геометрического и физического характера. Родоначальником механицизма является Р. Декарт (1596 – 1650).
Развитие механики как первого направления классической физики выразилось в следующих достижениях. И. Ньютоном было завершено формирование небесной и общей механики, сформулированы три закона.
Первый закон указывал на наличие особых систем отсчета, в которых одинаковые явления происходят по одному и тому же сценарию. Этот закон называют законом инерции, и он гласит: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.
Второй закон устанавливал связь между причиной движения (силой) и его характером (ускорением). Он гласит: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), прямо пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела).
Третий закон связывал между собой прямое действие и реакцию на него. Он гласит: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия: силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки. Основной труд И. Ньютона называется «Математические начала натуральной философии».
В этот период были открыты закон всемирного тяготения (взаимодействия между массами) и закон Кулона (взаимодействия между зарядами). Ключевым моментом в создании классической физики стала формулировка принципа Галилея, в котором были указаны связь между характеристиками движения и неизменность времени в разных системах отсчета.
Механицизм не означает, что исследовалась только одна область науки – механика, с позиций механицизма объяснялись также и все остальные полученные опытные факты. Например, распространение света представлялось как сжатие и разрежение особой светоносной среды – мирового эфира, отличного по свойствам от обычного воздуха. В дальнейшем механика продолжала свое развитие в рамках построения более сложных математических моделей, например механика Гамильтона-Якоби, Лагранжа.
Вторым важным направлением классической физики стали исследования в области электричества, магнетизма и оптики. Например, в области оптики математическое выражение получили законы распространения света (так называемая геометрическая оптика), изучены явления, возникающие при взаимодействии света с веществом – разложение белого света в спектр, открыты ранее не наблюдавшиеся эффекты - дифракция и интерференция. Данная проблематика развивалась в исследованиях таких ученых, как И. Ньютон, В. Снеллиус (158 - 1626), О. Френель (1788 – 1827), Х. Гюйгенс (1629 – 1695), Р. Гук (1635 – 1703).
В рамках этого направления в конце XYIII – XIX вв. сложилась вторая физическая картина мира. В ней вводились представления об электрических и магнитных полях. Ее особенности заключаются в том, что, во-первых, физические явления стали рассматриваться с точки зрения их структуры – атомной и молекулярной. Во-вторых, было обнаружено поле как новая форма физической материи.
Для того чтобы описать связь между полем и неподвижными зарядами, нужно было построить новую фундаментальную теорию. Она и получила название электродинамической теории – теории движущихся зарядов. Наиболее важным понятием новой теории стало понятие электромагнитной волны, которая двигалась и таким образом обеспечивала взаимодействие между различными объектами.
Электродинамическая картина мира обоснована в трудах М. Фарадея (1791 – 1867), Г. Герца (1857 – 1894), А. Ампера (1775 – 1836), Л. Фуко (1819 – 1868), Х.А. Лоренца (1853 – 1928), К. Гаусса (1777 – 1855), Н.А. Умова (1846 – 1915), П.Н. Лебедева (1866 – 1912). Но наиболее развернутым выражением и вершиной этой теории стала формулировка в 1860 г. электродинамики Д.К. Максвелла. Она связывала между собой заряды, покоящиеся и движущиеся, и поля, а в классической механике устанавливалась связь только между покоящимися зарядами. Важным преимуществом теории Максвелла была математическая простота.
В дальнейшем физика накапливала знания, и последним методологическим изменением в области классической физики стала специальная теория относительности А. Эйнштейна, которая полностью обобщила классическую физику и распространила ее на область скоростей, стремящихся к скорости света.
В 1925-1928 гг. был создан новый уровень описания физических явлений, открывший эпоху неклассической физики. Определяющий вклад в ее создание внесли Э. Ферми (1901 – 1954), П. Дирак (1902 – 1984), Э. Шрёдингер (1887 – 1961). Они не отвергли классическую традицию, которая из соображений удобства используется в физике и сейчас, но предложили системный уровень описания физических явлений, новые принципы, основанные на дискретности фундаментальных физических величин – энергии, импульса. Важную роль сыграла разработка общей теории относительности, анализирующей свойства пространства и времени. Таким образом, в рамках неклассической физики сложилась третья картина физической реальности - квантово-релятивистская.
В физике, как и в других науках, используются различные группы методов: эмпирические, теоретические и общелогические, рассмотренные выше (см. лекцию 1.1). Например, измерение в физике связано со стандартизацией и использованием приборных систем – градусников, счетчиков, датчиков, робототехники, автоматики. Примеры идеализации (идеальных объектов) в физике – идеальный газ, обратимый процесс, абсолютно твердое тело; в астрономии – абсолютно черное тело. Гипотетико-дедуктивный метод на современном этапе используется в ядерной физике. Специальные методы разрабатываются в отдельных разделах физики. Так, в лазерной физике применяются методы пробного пучка для ламповой накачки, методы анализа моды выходного излучения лазера для диодной накачки, метод отклонения зондирующего лазерного пучка.
В структуре физики выделяют общую, теоретическую и прикладную (специализированную) физику.
Общая физика включает такие фундаментальные разделы как механика, оптика, электричество и магнетизм, молекулярная физика, атомная физика, физика ядра.
Теоретическая физика представляет собой концепции, логически совершенные и структурированные способы описания фундаментальных разделов общей физики. К ней относятся, например, теоретическая и квантовая механика, теория поля, статистическая физика.
Примерами прикладных разделов являются: спектроскопия, лазерная физика, физика твердого тела, физика высоких энергий, кристаллография.
2. Физические свойства природной реальности
Физика, единственная из всех естественных наук, претендует на роль всеобъемлющей дисциплины. Она позволяет с единых позиций подойти ко всем объектам Вселенной – от элементарных частиц до самых крупных астрономических структур. Ее объект – Универсум, мир в целом. И поэтому физика тесно связана с философией. Чем сложнее и абстрактнее физическая теория, тем более важной становится эта связь. Предмет физики – причинно-следственные связи между структурой материального мира и энергетическими процессами в нем.
Фундаментальными понятиями, отражающими важнейшие свойства физических объектов и специфику физической реальности в целом, являются пространство и время. Эти свойства заключаются в том, что пространство трехмерно, а время одномерно. Пространство однородно и изотропно (в каждой точке и в любом направлении поведение одинаковых систем будет одинаковым), а время – только однородно. Этот факт объясняется сегодня тем, что формирование Вселенной происходило в определенных, строго фиксированных условиях, математическим выражением которых являются фундаментальные физические постоянные, например скорость света, постоянная Планка в квантовой физике, постоянная Больцмана в термодинамике и статистической физике.
Именно пространственно-временной характер объектов исследуется в рамках СТО, где время рассматривается как равноправная по отношению к пространству величина. Исследование причины такого характера мира происходит в специализированной области, которая называется теорией гравитации.
Важнейший вопрос физики – это вопрос о физических взаимодействиях. Существует четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Сильное взаимодействие изучается в ядерной физике. Оно формирует устойчивую структуру ядра, связывая кварки в протоны и нейтроны; отвечает за всю симметрию мира.
Слабое взаимодействие также исследуется в ядерной физике. Оно отвечает за возможность преобразования одних элементарных частиц в другие, обеспечивает всю асиметрию, которая присутствует в мире.
Электромагнитное взаимодействие преобладает на уровне атомов, связывает атомы и молекулы, поля и их источники. Источники бывают двух видов: заряды и токи.
Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие материальных объектов, которые обладают массами. Оно господствует в астрономических масштабах.
Исторически в физике возник вопрос о том, как быстро одно тело может влиять на другое, иначе говоря, о скорости взаимодействия между телами. Причиной этого было наличие факта взаимодействия между удаленными массами (в космосе), разделенными пустым пространством; между электрическими зарядами, находящимися в вакууме. Механистическая картина мира могла описать процесс взаимодействия, рассматривая среду, в которой оно передается, но в этих случаях такая среда отсутствовала.
Длительное время в физике господствовала концепция дальнодействия (Р. Декарт) – предположение о том, что взаимодействие передается мгновенно. После обнаружения конечности электромагнитных взаимодействий (их скорость ограничена скоростью света в вакууме), в физике была принята концепция близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие осуществляется посредством поля (электромагнитного, гравитационного), распространяющегося с конечной скоростью.
Традиционно все процессы в физике делят на обратимые и необратимые. Обратимые процессы изучает классическая физика, а необратимые процессы - неклассическая физика.
Все реальные физические процессы являются необратимыми, обратимыми их можно считать лишь с определенной степенью точности.
Обратимым считается процесс, в течение которого тела остаются в состоянии равновесия друг с другом. При этом объект, переведенный из начального в конечное состояние, можно вновь перевести в начальное, не производя никаких дополнительных изменений в нем.
Почему же обратимые процессы настолько важны? Это происходит в силу ряда причин.
Во-первых, теория, которая их описывает, отличается простотой и наглядностью, т. е. возможно проводить мысленный эксперимент, приводящий к верному результату. Для необратимых процессов исследование практически всегда нужно проводить численно, для каждого отдельного процесса.
Во-вторых, для описания многих реальных процессов требуется точность, позволяющая считать их обратимыми, и сфера применения теории обратимых процессов велика.
Классическая физика изучала обратимые процессы, так как в ее распоряжении были приборы, точность которых не позволяла обнаружить поправок, ведущих к необратимости. Р. Гук, исследуя деформацию материалов, связал их удлинение с приложенной силой и сформулировал закон пропорциональности этих величин. Из закона Гука следует, что тело после деформации должно вернуться в исходное состояние (обратимая деформация). В дальнейшем было замечено, что при более точных измерениях линейность закона нарушается – это вызвано наличием необратимых деформаций, т.е. не исчезающих после «выключения» приложенной силы. Для того чтобы необратимая деформация исчезла, необходимо приложить дополнительную силу – произвести дополнительные изменения в системе.
Приведем примеры необратимых процессов. Так, всякое взаимодействие прибора с телом вносит в него необратимые изменения. Некоторые газы переходят из одного состояния в другое, а в исходное состояние их перевести нельзя без дополнительных изменений. Информация может быть передана в одном направлении, если ее вернуть назад, она станет уже другой. Свет, если его пропустить через кристалл в одном направлении, приобретет определенное свойство, а если пропустить в обратном, то это свойство не исчезнет, а удвоится.
Законы физики устанавливают связи на уровне физической реальности и формулируются на основе обобщения экспериментальных данных в определенной области. Законы бывают фундаментальными и частными, динамическими и статистическими.
Фундаментальными законами, действующими в целой области физического знания, являются, например, закон Кулона, закон всемирного тяготения, законы сохранения физических величин.
Частные законы относятся к определенному направлению той или иной области физического знания, например, закон, согласно которому, угол падения равен углу отражения, действует в геометрической оптике.
В физике выделяют процессы с участием небольшого известного числа объектов, например автомобилиста и пешехода, для которых можно определить характеристики их движения. Такие характеристики раскрываются динамическими законами.
С дальнейшим увеличением числа объектов до больших составных систем требуется введение новых принципов в рассмотрение их эволюции. Например, газ, состоит из огромного числа молекул. Такая система рассматривается со статистических позиций. Всей системе ставятся в соответствие величины, характеризующие ее как целое и не сводящиеся к характеристике отдельных частей.
В структуре физического знания очень важна роль сохраняющихся величин и законов, утверждающих их неизменность.
Закон сохранения энергии описывает характер преобразования энергии в замкнутой системе взаимодействующих тел. В самом простом случае энергия складывается из кинетической (движение тела) и потенциальной (взаимодействие тел): E = mv 2/2 + Епот.
Закон сохранения импульса описывает направление движения, характер его изменения в системе взаимодействующих тел. Импульс тела – произведение массы тела и его скорости: p = mv.
Закон сохранения момента импульса описывает траекторию движения тела. Момент импульса (момент количества движения) – произведение массы тела, его координаты и скорости: L = mvr. Именно в силу выполнения этого закона все планеты Солнечной системы движутся в одной плоскости.
Законы сохранения проявляются в том, что между каждой сохраняющейся величиной и пространственно-временной симметрией существует однозначная связь. Рассмотрим в качестве примера однородность и изотропность пространства. Однородность пространства заключается в том, что поведение одинаковых физических систем не зависит от той точки, в которой начинается их эволюция. Однородности пространства соответствует закон сохранения импульса. Изотропность пространства проявляется в независимости поведения системы от начального направления. Ей соответствует закон сохранения момента импульса. Время, в отличие от пространства, лишь однородно (все временные точки одинаковы), этой симметрии соответствует закон сохранения энергии. Время не изотропно, что проявляется в наличии причинно-следственной связи между событиями. Эти характеристики времени логично приводят к необратимости всех реальных физических процессов. Связь энергии, импульса и момента импульса с соответствующими симметриями известна в физике как теорема Нётер (сформулирована немецким математиком Э. Нётер).
Кроме приведенных выше фундаментальных законов существуют и другие законы сохранения. Они введены в ядерной физике для объяснения превращений элементарных частиц – так называемые зарядовые. Например, закон сохранения электрического заряда. Объяснение их существования дается теоретической физикой.
Законы сохранения позволяют решать многие задачи, прибегая к рассмотрению не всего процесса, а лишь его начального и конечного положения. Ведь во все моменты эти величины одинаковы, поэтому мы можем выбирать их так, как нам удобно.
Принцип (от лат. principium – начало, основа, происхождение, первопричина) – это основополагающие суждение в какой либо системе знания, исходный пункт объяснения.
Научные принципы можно разделить на несколько групп. К первой группе относятся принципы-требования общенаучного характера, которыми должен руководствоваться представитель любой науки при получении научных знаний. Например, знания должны быть истинными и объективными, рациональными и эмпирически проверенными, теоретически обоснованными и логически непротиворечивыми, точно и однозначно сформулированными, удовлетворять требованиям верификации и фальсификации, они должны быть доведены до сведения научного сообщества и контролироваться обществом.
Ко второй группе относятся принципы конкретно-научного характера. Существуют свои принципы и в физике, такие, например, как:
принцип простоты – объяснение различных явлений должно осуществляться с помощью небольшого числа фундаментальных законов, простых уравнений. Этот принцип был обоснован в механицизме Р. Декарта. В «Математических началах натуральной философии» И. Ньютон также говорил, что всегда нужно искать самую простую причину и не искать других причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений;
принцип инвариантности – различные по форме теории должны приводить к общему результату. Например, в квантовой механике есть две формы представления – матричная (П. Дирака) и функциональная (Э. Шрёдингера), но они приводят к одинаковым результатам;
принцип соответствия – каждая новая теория должна включать предшествующую в качестве частного случая и приводить к таким же результатам, но на новых основаниях. Теория, достоверность которой установлена для некоторой предметной области, с появлением новой, более общей теории не устраняется как ложная, а сохраняет свое значение для прежней области как предельная форма и частный случай новой теории. Например, СТО включает как частный случай классическое понимание движения. Автором принципа соответствия считается Н. Бор, предложивший этот принцип в 1913 г. для выражения связи между теорией атома, основанной на постулатах квантовой физики, и представлениями классической электродинамики;
принцип симметрии – указывает на наличие связей между физическими закономерностями и характером взаимодействующих тел. Впервые был сформулирован П. Кюри как общий принцип симметрии, справедливый для всех физических закономерностей: если определенные причины вызывают соответствующие следствия, то элементы симметрии причин должны проявляться в вызванных ими следствиях. Положения, обратные этим, неправильны, по крайней мере, практически; иначе говоря, следствия могут обладать более высокой симметрией, чем вызвавшие их причины. Следовательно, в следствиях может проявляться не только симметрия причин, но и симметрия самой физической системы.
Третью группу составляют принципы, которые лежат в основе обоснования отдельных физических теорий:
принцип наблюдаемости сформулирован И. Ньютоном и являлся важным положением классической механики. И. Ньютон говорил: «Гипотез я не измышляю», то есть, все положения теории должны выводиться из явлений, из опыта. Аналогичный смысл содержится в девизе Лондонского естественнонаучного общества Нового времени: “Ничего со слов”;
принцип неопределенности – фундаментальное соотношение квантовой теории, характеризующее неопределенности двух физических величин при их одновременном измерении. Неопределенность – это математическое понятие, характеризующее отличие измеряемых в опыте значений физической величины от ее среднего значения. Ее введение связано с тем, что, согласно постулатам квантовой механики при измерении значений физической величины можно получить ряд дискретных значений с определенной вероятностью. Для таких величин, как импульс и координата частицы, принцип утверждает, что произведение их неопределенностей больше некоторой величины, называемой постоянной Планка. Поэтому, интерпретируя эти соотношения, говорят о том, что существует ограничение на точность одновременного измерения двух величин;
принцип дополнительности – для квантовых явлений пространственно-временные представления и требование причинности должны рассматриваться как дополнительные, но исключающие одна другую черты описания содержания опыта (Н. Бор, 1927). Позднее этот принцип приобрел более широкую интерпретацию и стал выражать требование использовать корпускулярную и волновую картины как дополнительные для целостной характеристики объектов квантовой физики. В настоящее время данный принцип получил широкое распространение и в других науках как методологическая идея рассмотрения одного явления в различных, но взаимодополняющих аспектах. В частности, сам Н. Бор полагал, что этот принцип можно использовать для анализа отношений между различными культурами и странами;
принцип относительности Галилея – связывает координаты тела в движущейся и покоящейся системе отсчета и указывает на неизменность времени в них. Система отсчета – это механическая система координат и часы.
3. Структурные уровни организации материи
В физической организации материи выделяют несколько уровней, классификация которых зависит от различных оснований. Таких классификаций много. Выделим структуры, которые не просто равны сумме предыдущих, но обладают отличными от них свойствами.
Уровень элементарных частиц и полей. Этот уровень изучается ядерной физикой и физикой высоких энергий, преимущественно на основе экспериментальных данных.
К началу ХХ в. физики полагали, что атом состоит из ядра и электронов (опыты Э. Резерфорда). Исследование структуры ядра было связано с развитием ядерной физики в первые десятилетия ХХ в. В частности, при проведении первой ядерной реакции с азотом был открыт протон – частица, имеющая элементарный заряд, по знаку обратный заряду электрона. Вскоре Дж Чедвик (1891 – 1974) открыл нейтрон – частицу, не имеющую электрического заряда.
В настоящее время открыто более 1000 элементарных частиц, обладающих различными свойствами. Основой создания их целостной классификации послужили, с одной стороны, экспериментальные исследования структуры нейтронов и протонов, а с другой стороны, теоретические методы. Например, теория групп исходит из анализа определенной симметрии решаемой задачи и таким образом предсказывает существование симметричных между собой частиц.
Выделяют три наиболее признанные классификации частиц. Первая основана на времени жизни частицы. Вторая выделяет фундаментальные частицы и кванты различных взаимодействий. К фундаментальным частицам относятся структурные элементы материи – кварки и лептоны, к квантам взаимодействий – глюоны, фотон и промежуточные векторные бозоны. Третья основана на характере взаимодействия частиц.
Существование всех элементарных частиц описывается определенными законами сохранения специальных величин. Эти законы имеют связь с симметриями в самой физической реальности, например, симметрия пространства-времени, поля, заряда.
Уровень атомов. В XVIII – начале XIX в. быстро развивающаяся химия возродила античное учение об атомах, но на новых принципах. Главную роль в восстановлении прав атома сыграл английский химик Дж. Дальтон (1766 – 1844). В новой теории число различных атомов хотя и велико, но все же не бесконечно, как у Демокрита. И вещества в ней состоят не непосредственно из атомов, а из их групп – молекул. Таким образом, Дж. Дальтон (1766 – 1844) нашел промежуточную ступеньку в строении материи – молекулы.
В 1869 г. Д.И. Менделеев установил, что между атомами существует связь, которая проявляется в периодичности их свойств. Периодический закон позволял, во-первых, подсчитать все типы атомов, существующие в природе, а, во-вторых, сформулировать проблему делимости атома. Над этой проблемой работали многие ученые – А.Г. Столетов (1839 – 1896), Дж. Томпсон, Ж. Перрен, Э. Резерфорд (1871 – 1937). Э. Резерфорд исследовал строение атома с помощью альфа-частиц и доказал, что «атом состоит из ядра, где сосредоточена почти вся масса и весь положительный заряд, и электронов, имеющих отрицательный заряд».
Именно на уровне атомов выделяют химические элементы, свойства которых индивидуальны. Эта индивидуальность позволила ученым предсказывать существование новых элементов. Так, например, был открыт гелий – по наблюдению спектра излучения Солнца.
Для атомов создана единая теория, которая объясняет периодический характер их свойств. Основные свойства атома, обеспечивающие эту периодичность, – заряд ядра и характер связи электронов внутри атома. Формальное выражение этой периодичности зафиксировано в таблице Д.И. Менделеева. В настоящее время известно 116 элементов. Синтез новых элементов осуществляется с целью подтверждения существующих теорий, возможности обнаружения новых экспериментальных фактов, отыскания предела такой последовательности элементов.
На уровне атомов проявляются физические свойства вещества. Атом как объект изучается физикой атома.
Уровень молекул. Молекула – это макроскопическая система, которая состоит из двух или более ядер и нескольких электронов. Несколько молекул одного типа позволяют говорить о химических свойствах вещества.
Каждая молекула индивидуальна, и ее свойства зависят от образовавших ее атомов. В то же время молекула не сводится просто к сумме атомов и в ее составе нельзя выделить отдельный атом. Нетождественность суммы атомов и молекул обусловливается наличием так называемой химической связи.
Уровень молекул исследуется в молекулярной физике со статистических позиций. Именно здесь находят свое выражение такие хорошо знакомые всем понятия, как температура, давление, объем. Отдельные молекулы анализирует оптика, изучающая их индивидуальные свойства по характеру их излучения.
Уровень макроскопических тел. Макроскопическое тело состоит из молекул и атомов, связанных между собой. Характер этих связей определяет агрегатное состояние вещества и чаще всего зависит от того, насколько «плотно» расположены те или иные частицы по отношению друг к другу.
Традиционно в физике выделяют четыре основных агрегатных состояния: жидкость, твердое тело, газ, плазма. Но этой классификацией разнообразие тел, существующих в природе, не ограничено. Например, говорят о жидких кристаллах (применяются в мониторах и плазменных экранах), в космосе обнаружен Бозе-Эйнштейновский конденсат (особая форма плазмы). Их не выделяют как особое агрегатное состояние потому, что они очень редки и в естественных условиях не существуют.
В XX в. в физике актуализировался интерес к понятию вакуума. Его можно определить как среду, давление которой меньше нормального атмосферного давления. Поэтому вакуум существует не только в космосе, в определенной степени вакуум может быть достигнут в лабораторных условиях. Существуют области в физике, которые изучают как процессы, происходящие в вакууме, так и его свойства. Это находит большое практическое применение в высокотехнологичных областях. Сейчас многие физические процессы объясняются с позиций рассмотрения влияния вакуума на тело.
Макроскопические тела изучаются механикой в рамках их движения и специфическими разделами физики, обращенными к какому-то отдельному конкретному свойству тела. Физика твердого тела изучает структуру вещества, кристаллография – симметрию, которой подчиняется строение кристаллических структур.
Уровень космических тел различной степени общности. Элементарными телами на этом уровне являются простейшие космические объекты: звезды, планеты, обращающиеся вокруг них, малые тела Солнечной системы – астероиды, кометы.
Звезды – наиболее крупные объекты, они определяют в космическом пространстве области своего воздействия. В Солнечной системе 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а также множество других меньших по размерам тел. Перспективным является поиск новых объектов и планет Солнечной системы.
Звезды обладают большим разнообразием, что связано с их возрастом и характером эволюции, который определяется в основном их массой. Объяснением функционирования звезд занимаются специальные разделы астрономии. Здесь требуются знания по ядерной физике, химии, СТО.
Большие, существующие независимо друг от друга совокупности звезд, называются галактиками. Наша звезда – Солнце – находится в галактике Млечный путь.
Галактики, которые находятся рядом, взаимодействуют и образуют галактические скопления. Наша галактика входит в группу из пяти галактик, при этом поглощая две небольшие и сталкиваясь с галактикой таких же размеров – Туманность Андромеды.
Большие группы галактик образуют сверхгалактические скопления, а всю наблюдаемую часть Вселенной называют Метагалактикой. Вселенная бесконечна, но наблюдать мы можем только конечную ее часть. Это связано с ограниченностью наших технических возможностей.
Заключение
1. В истории физики последовательно сменяли друг друга три физические картины мира: механистическая, электродинамическая, квантово-релятивистская. Первые две сформировались в рамках классической науки, а квантово-релятивистская картина мира открыла эпоху неклассического естествознания.
2. Динамика физических картин мира является основой развития принципов физики: простоты, инвариантности, соответствия, симметрии, наблюдаемости, неопределенности, дополнительности, относительности.
3. Физические свойства природной реальности отражаются в понятиях пространства и времени, фундаментальных физических взаимодействиях и процессах, физических законах, представлениях о структурных уровнях организации материи.
4. Основными тенденциями в современной физике являются междисциплинарные исследования (на границе физики и биологии, физики и химии) и дифференциация проблематики. Физики стали заниматься более узкими отраслями, но и в рамках этого углубления предпринимаются попытки построения единой физической картины мира.