· Молекулярно-кинетическая концепция.
Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже вработах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям,непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитиимеханической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости итвёрдых тел.
Основные этапы развития знаний о свойстве газов:
В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор дляизмерения давления.
Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутомсосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная(для данной массы газа при постоянно температуре).
В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на 1/273 первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.
Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газаменяется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).
В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая областьсвоеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммычастных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с ихцентральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретическогообъяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.
Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранееразрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно, Б. Клайперон, в 1834 годуобъединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре. Найденные ранееэмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когдаодновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватныхпредставлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можнобыло бы объяснить законы его поведения.
Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию -во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним иразвили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии[3], важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.
Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные дляпонимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о такназываемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиямитермодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, что с течением времениразность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамическиепроцессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.
Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могутпретендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.
Основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общийметод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся ивзаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кромепоступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает ивнутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скоростивсех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётахусловно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.
Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в областимолекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменитьневыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах.Следуя этому методу, - единственно возможному с точки зрения экспериментальной, так и математической мы переходим от строго динамических методов к методамстатистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно менятьсяпри каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждойотдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно.
Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получитьрезультаты, согласующиеся со всеми экспериментами.
На основе статистической трактовки природы второго закона термодинамики Л. Больцман разработал последовательное разрешение парадокса «тепловой смерти»Вселенной. Современной точки зрения оно уже не является достаточно полным и достаточно убедительный, но в то время это было первым логическим согласованным«в рамках имевшихся теоретических представлений» ответом на вопрос, почему «тепловая смерть» ещё не наступила. По Л. Больцману, «тепловая смерть»наступила много раз и много раз Вселенная в большей или меньшей степени отклонилась от равновесного состояния полного молекулярного беспорядка ксостояниям неравновесным и более упорядоченным, то есть к состояниям с меньшей энтропией, с температурными различиями. Это возможно потому, что в процессах,подчинённых статистическим законам, всё время возникаю флуктуации - случайные отклонения от наиболее вероятного состояния.
Молекулярно – кинетическая концепция, в отличие от классической механики, имелапринципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях,твёрдых телах.
· Теория электромагнитного поля и кризис механической картины мира.
Дж. К. Максвелл не только внёс вклад в развитие молекулярно – кинетической концепции,базировавшейся на представлениях механической картины мира, но и создал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение этой картины.
Механическаякартина мира опиралась на представления, что силы действуют по направлениюпрямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), то есть являются центральными силами. Другими словами в картине мира классическоймеханики все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию частиц, это было, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновской системыабстрагироваться от роли промежуточной среды в передачи взаимодействия.
С открытием Х. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация противоречившаяпредставлениям механической картины мира: на определённом расстоянии от проводника с током на магнитную стрелку действовала сила, которая непритягивала и не отталкивала, а лишь стремилась вращать стрелку вокруг проводника, то есть действовала в «бок». В след за развитием Эрстеда А.Ампер доказал на опыте, что круговой электрический ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самым была выявлена не только удивительнаясимметрия электрического и магнитного явления (прямолинейный проводник с током создаёт магнитное поле, направленное по кругу вокруг проводника; круговой токсоздаёт магнитное поле, направленное по оси круга), но и их глубокое внутреннее единство, взаимопорождение.
В то же время радикальное противоречие с важнейшим принципом классической физической картиной мира – принципом центральных сил – вынуждалопризнавать активную роль среды, окружающей проводники или магниты, в том числе и физического «вакуума». Таким образом, становилось необходимым существенноизменить представление в физической картине мира, включив в неё принципиальную роль промежуточной среды.
Эрстед по существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход отмеханической картины мира к новой, электромагнитной.
В 1831 году М. Фарадей установил, что в момент изменения величины тока водном контуре в расположенном рядом контуре на короткое время возникает электрический ток. В момент движения магнита около катушки в ней тоже на короткое время возникает электрический ток. Принципиально новым было здесь не только то, что процесскаким – то образом передавался через физический вакуум, которому приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым по сравнению с картиной мираклассической физики было и то, что представления о постоянном воздействии одного тела на другое (как это было в случае тяготения или взаимодействияэлектрически заряженных тел) замещались представлениями импульсов или волн в момент изменения состояния одного из тел.
Электромагнитная концепция, которой захотели теперь заменить прежнюю, заключалась, прежде всего,в полнейшем отказе от всех образных представлений, от тех «механических моделей» без которых когда-то не существовало настоящей физики.
· Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира.
Там, где многие физики, пользовавшиеся теоретическими представлениями об электронах,взаимодействующих с электромагнитным полем, не видели проблемы. А. Эйнштейн видел принципиальную методологическую трудность.
Теория Максвелла была логически и методологически неполна по меньшей мере в двухаспектах:
· во-первых, она не совмещалась с фундаментальным принципом классической физики – принципомотносительности, её уравнения не были инвариантными[4]относительно преобразований Галилея;
· во – вторых, как выяснилось, полевая картина мира (или, как её обычно называют, электромагнитнаякартина мира) оказалось недостаточным в качестве концептуальной основы нового этапа развития физики, ибо не позволяла с единой точки зрения объединить всерассматриваемые в теории процессы.
Таким образом, вопреки широко распространённой точки зрения есть основания утверждать, что надежда построить соответствующий раздел физики на основеэлектромагнитной картины мира не была осуществлена, хотя представления о такой картине мира активно обсуждались.
Революция в физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новойрелятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательном развитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалосьтребованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, а также неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняясогласованность теоретических представлений электродинамики в острой форме появилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можнос уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физической картины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике.
Один из важных парадоксов состоит в следующем. Из очень общих представлений освойствах пространства и времени, казавшихся очевидными в рамках механической картины мира, непосредственно вытекали формулы преобразования координат отодной системы к другой, движущейся относительно первой (преобразования Галилея, непосредственно связанные с его принципом относительности).
Как выяснилось, уравнение Максвелла не были инвариантными относительно преобразований Галилея, то есть к электромагнитным процессам галилеевскийпринцип относительности оказался не применим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движениеобъекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретических следствий с экспериментальными данными обескураживал физиков: в одних опытах(например, в явлении абберации, то есть кажущиеся смещения наблюдаемых в телескоп звёзд из – за движения Земли) эфир следовала считать абсолютно неподвижным; вдругих (например, в опытах по изменению скорости света в движущейся воде) – результат был таков, как если бы эфир частично увлекался движением воды.
В формулировке А. Эйнштейна принцип относительности приобрёл более богатое физическое содержание: «Законы, по которым изменяются состояния физическихсистем, не зависят от того какой из двух координатных систем движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменениясостояния…».
А. Эйнштейн в первой публикации по основам специальной теории относительности онвводит понятие физического события в качестве фундаментального элемента новой картины мира, замещающего образ материальной точки.
Во всех последующих работах Эйнштейн будет пользоваться идеализацией точечногопространственного – временного физического события как элементарного объекта теории, представляющего в теоретических моделях физическую реальность.
Физическая картина мира Галилея – Ньютона, в которой мир отображён как множествоматериальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается в специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленноймножеством точечных пространственно – временных материальных событий. Глубокое единство материи движения, движения,пространство, времени получило здесь концентрированное выражение: на место образов вещей ставились образы материальных процессов.
Специальная теория относительности предполагает существование материальных полей иматериальных частиц, но изображает в теоретических моделях не частицы и поля непосредственно, а отношение между происходящими с ними событиями. Всвязи с этим можно сказать, что смысл теории относительности, отражённый в её наименовании, состоит не в том, что некоторые физические величины меняютчисленное значение при переходе к другой системе отсчёта (такие величины были в классической механики), а скорее в том, что эта теория отражаетзакономерности отношений между событиями.
Переход к новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключенияиз теории фиктивных образов, в первую очередь понятие эфира с механическими свойствами.
Образ эфира, понимавшегося в соответствии с представлениями механической картинымира, был замещён образом полевых процессов, выраженным с помощью идеализационных событий. По убеждению А. Эйнштейна, и специальная, и общаятеория относительности основывается на полевых представлениях (поле и есть «эфир» в новом понимании).
Заключение.
Вопрос о неизбежной ограниченности естественно научных теорий специально рассматривался ученым физиком В. С.Барашенковым. Он убедительно доказывает, что возможность построения относительно "законченных теорий" (типа механики Ньютона,термодинамики, электродинамики Максвелла, квантовой механики, теории гравитационных полей Эйнштейна и др.), достаточно полно, описывающих различныеформы движения материи, не означает возможности в одной или нескольких таких теориях полностью "перекрыть" весь мир, исчерпать все качественноемногообразие законов природы. Каждая такая теория не учитывает многие параметры, второстепенные в данном приближении, но становящиеся важными придальнейшем углублении в суть рассматриваемых явлений. Это и привод к неизбежной ограниченности сферы применения теорий. Возможность "законченныхтеорий" означало бы возможность конца науки, дальше которого нечего было бы познавать. И, наоборот, непреодолимая ограниченность каждой отдельной теориипредполагает бесконечность всего научного познания. Известные науки, обобщающие теории составляют важные этапы её развития. Все они основаны на конкретныхпринципах, обобщающих определенный круг фактов, и допускают возможность и необходимость своего дальнейшего развития по пути создания все более общих иглубоких теорий, учитывающих новые, неизвестные ранее факты. Таков закон познания, обусловленный законами природы.
Введение.
Прежде всего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различныекритерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время, когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далеекратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретических данных о структуре микрочастиц.