Физические картины мира

ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет             имени П.А. Столыпина»

 

 

 

 

 

 

Физические картины  мира.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск, 2011

1. Механическая картина мира

МКМ складывалась под влиянием   материалистических представлений  о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины  Мира являются классических атомизм, восходящий к Демокриту и т.н. механицизм. Само становление механистической  картины справедливо связывают  с именем Галилео Галилея, впервые  применившего для исследования природы  экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин  и последующей математической обработкой результатов. Однако ядром МКМ является механика Ньютона (классическая механика).

Основные понятия  МКМ

В любой физической теории присутствует довольно много понятий, но среди них есть основные, в  которых проявляется специфика  этой теории, ее базис, мировоззренческая  сущность. К таким понятиям относят  т.н. фундаментальные понятия, а именно: материя, движение, пространство, время, взаимодействие.

МАТЕРИЯ. Материя, согласно МКМ – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов, т.е. в МКМ были приняты дискретные (дискретный – “прерывный”), или, другими словами, корпускулярные представления о материи.

ПРОСТРАНСТВО. Вспомним, что Аристотель отрицал существование пустого пространства, связывая пространство, время и движение. Атомисты 18-19 вв. наоборот, признавали атомы и пустое пространство, в котором атомы движутся. Ньютон, впрочем, рассматривал два вида пространства:

относительное, с которым люди знакомятся путем измерения пространственных отношения между телами и абсолютное, которое по самой своей сущности безотносительно к чему-бы то ни было и внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным; т.е. абсолютное пространство – это пустое вместилище тел, оно не связано со временем, и его свойства не зависят от наличия или отсутствия в нем материальных объектов. Пространство в Ньютоновской механике является трехмерным, непрерывным, бесконечным, однородным, изотропным.

ВРЕМЯ. Ньютон рассматривал два вида времени, аналогично пространству: относительное и абсолютное. Относительное время люди познают в процессе измерений, а абсолютное (истинное, математическое время) само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Таким образом, и время у Ньютона, аналогично пространству – пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему.

ДВИЖЕНИЕ. В МКМ признавалось только механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с течением времени. Считалось, что любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). Движение любого тела объяснялось на основе трех законов Ньютона, при этом использовались такие важные понятия как сила и масса. Под силой в МКМ понимается причина изменения механического движения и причина деформации. Величина же m = F/a для данного тела было величиной постоянной и характеризовала инертность тела. Таким образом, количественная мера инертности тела есть его инертная масса.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Современная физика все многообразие взаимодействий сводит к 4-м фундаментальным взаимодействиям: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному.

Основные принципы МКМ

Принцип относительности  Галилея. Принцип относительности Галилея утверждает, что все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны  (эквивалентны). Переход от одной ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея.

Принцип дальнодействия. В МКМ было принято, что взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Это положение и было названо принципом дальнодействия.

Принцип причинности. Как уже было сказано, в МКМ все многообразие явлений природы к механической форме движения материи (механистический материализм, механицизм). С другой стороны известно, что беспричинных явлений нет, что всегда можно (принципиально) выделить причину и следствие. Причина и следствие взаимосвязаны, влияют друг на друга.

2. Электромагнитная картина мира

18-й век, ознаменовавшийся  становлением МКМ, фактически  положил начало и систематическим  исследованиям электрических явлений.  Так было установлено, что одноименные  заряды отталкиваются, появился  простейший прибор – электроскоп.  В середине 18 в. была установлена электрическая природа молнии.

В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен  ряд важнейших законов (закон  сохранения точечного заряда, закон  взаимодействия точечных зарядов, или  закон Кулона, открытие Эрстедом магнитного поля у проводника с током, законы Ома, Джоуля-Ленца).  А. М. Ампер создал новую науку об электричестве – электродинамику, а экспериментальные исследования М. Фарадея, в результате которых был открыт закон электромагнитной индукции, привели его к идее существования электромагнитных волн.

 Основные понятия ЭМКМ

Главная исходная идея ЭМКМ – это естественнонаучный материализм, а ее ядро – теория электромагнитного  поля. ЭМКМ базировалась на следующих  идеях:

Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Пространство  и время. В первоначальной ЭМКМ абсолютное и пустое пространство (как в МКМ) было заполнено мировым эфиром. Электромагнитное поле представлялось как колебания эфира. С неподвижным эфиром пытались связать абсолютную систему отсчета, самую простую, самую лучшую. Создание СТО привело к отказу от эфира.

Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия.

Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E = mc²). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения – массы и энергии – были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь  заключалась в том, что континуальное  понимание материи не согласовывалось  с опытными фактами, подтверждающими  дискретность многих ее свойств –  заряда, излучения, действия.

Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая – квантово-полевая картина  Мира, объединившая дискретность МКМ  и непрерывность  ЭМКМ.

3. Квантово-полевая картина мира

В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория –  квантовая механика, описывающая  состояние и движение микрообъектов. Это – четвертая фундаментальная  физическая теория. Она является базой  для развития современного естествознания.

Основные понятия  и принципы КПКМ

Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой  процесс дальнейшего развития и  углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления  и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:

1) утверждение корпускулярно-волновых  представлений о материи;

2) изменение методологии  познания и отношения к физической реальности.

Все рассмотренные ранее  картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий  как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.

Пространство  и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (X,Y,Z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой.

Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии с соотношением неопределенностей  они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.

Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа:

• Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 10⁰, радиус действия порядка 10^-15, время протекания t »10^-23с. Частицы – переносчики - p-мезоны.
• Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10^-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t » 10^-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица – переносчик – фотон (g-квант).
• Слабое взаимодействие связано со всеми видами b-распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10^-13, t » 10^-10с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим:   радиус взаимодействия r»10^-18м.
• Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире учитывается, так как его константа равна 10^-38, т.е. из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.

Литература

1. Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. – М.: Мир, 1975.
2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
3. Савельев И.В. Основы теоретической физики. Т.1. Механика. – М.:Наука, 1991.
4. Концепции современного естествознания / под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.
5. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания.  Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.