Музей ЧерномырдинаПредставления о структуре и уровнях строения материи. Электродинамическая картина мира
Электродинамическая картина мира.
18-19 века. Основоположниками считаются Эрстед, Фарадей, Максвелл. Началось это мировоззрение также с проблемы поиска элементарных объектов. В 18 веке наука познакомилась с тем, что материя существует не только в форме вещества ( вещество, устроенное заново), но и в форме поля (поле устроено из волн). В 18 веке основным объектом изучения стали не атомы, а волны. Первоначально познакомились только с существованием электромагнитного поля. Отсюда мировоззрение получило название электро-динамическая картина мира. Основная сила природы, которая исследуется в этот период и которая управляет волнами, - это сила электромагнетизма.
К концу 19 века в классической науке созрел кризис. Обусловлен он был несколькими причинами: 1. Возникло противоречие между механической и электродинамической картиной мира. И та и другая пытались описать мир, начиная от самых элементарных объектов, но оказалось, что атомы и волны имеют различные свойства. Мир устроенный из атомов допускает существование пустоты, отсюда основной свойство мира, в рамках механической НКН, является наличие дискретности(прерывности). Волны протяжены по своей природе, они заполняют все пространство, отсюда в таком мире пустоты существовать не может. И основным свойством такого мира являетсяконтинуальность(длительность, протяженность).
2 . Были обнаружены явления, которые сочетали в себе свойства и частиц и волн (явление света).
Этот кризис привел к смене научного мировоззрения.
Неоклассическая картина мира.
19 век – 60 годы 20 века. 1897 Дж. Томсон электрон – первую элементарную частицу. Открытие электрона породило целый ряд научных проблем:
Открытие других элементарных частиц. Как решалась: открытие новых элементарных частиц продолжается до сих пор, к настоящему времени обнаружено около 350. В настоящее время частицы не открывают, а синтезируют. Для этого существует большой адронный коллайдер.
Проблема изучения структуры атома: как расположены частицы внутри. В 30 годы 20 века появилась «планетарная модель атома» .
Изучение свойств элементарных частиц.
Свойства элементарных частиц.
Элементарные частицы обладают массой. По массе делятся на разные классы.
Частица обладает энергией.
Частица обладает временем жизни.
Частицы участвуют в разных типах взаимодействия.
Частицы обладают взаимопревращаемостью. Это свойство присутствует только в микромире.
У частиц имеются свои античастицы. Античастицы – такие же частицы, но они противоположны данной по какому-то одному признаку, как правило, по электрическому заряду.
Частицы обладают электрическим зарядом (+-0).
Корпускулярно-волновой дуализм. Означает, что в микромире элементарные объекты обладают двойной природой. Они имеют свойства частиц, и имеют свойства волн. Также, как например, свет обладает двойной природой. Корпускулярная природа света проявляется в фотоэффекте, а волновая в дифракции.
Открытие корпускулярно-волнового дуализма послужило к разрешению конфликта между механической и электродинамической картиной мира.
Свойства и классификации эл частиц, и кварки.
Семинар.
studfiles.net
1.3 Электродинамическая картина мира в процессе обучения физике
После теоретических работ Максвелла и экспериментальных исследований Герца стало ясно, что в природе, кроме вещества, существует особый вид материи – электромагнитное поле. Электромагнитное поле
существует в пространстве независимо от вещества;
распространяется в виде волн;
способно взаимодействовать с веществом;
обладает энергией и импульсом.
При этом частицы являлись «сгустками поля». Материя (поле) стала обладать особенными свойствами: непрерывностью и бесконечностью. Основополагающим принципом становится принцип суперпозиции– в одном и том же месте пространства одновременно могут находиться сразу несколько объектов.
После того как во второй половине 19 в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: «Распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные?» согласно этим законам скорость электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с=3*108м/с. По классическим законам механики при переходе в другую систему отсчета, скорость движущегося тела должна измениться. Значит, для каждой ИСО требовались новые законы электродинамики, в которых скорость света имела бы новое значение. Возникшие противоречия можно было решить тремя способами:
объявить, что принцип относительности не применим к электродинамике (Лоренц)
считать неверными уравнения Максвелла и пытаться изменить именно их (Герц)
отказаться от привычных классических представлений о пространстве и времени, сохранив и принцип относительности, и законы Максвелла (Эйнштейн).
Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая ее, Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути в дальнейшем были опровергнуты экспериментами.
Пространство и время не могут существовать отдельно друг от друга, они относительны, т.е. не существую сами по себе. Пространство обладает однородностью и изотропностью, но абсолютной длины предмета не существует, размеры тел зависят от выбора СО (происходит сокращение длины в направлении движения, при этом поперечные размеры не изменяются). Во Вселенной нет единого времени, наблюдается относительность одновременности (свет от звезд, находящихся на разных расстояниях, доходит до наблюдателя одновременно). Ритм времени в различных СО течет по разному (относительность промежутков времени) (опытное доказательство замедление времени в быстро движущихся СО – эксперимент с мю-мезонами. Мюоны – нестабильные частицы со средней продолжительностью жизни 2,2*10-6с. По отношению к земному наблюдателю за это время мюон смог бы пролететь всего 660 метров, т.е. он не смог бы достичь поверхности Земли, т.к. рождаются эти частицы в верхних слоях атмосферы на высоте около 10 км. Т.к. скорость этих частиц соизмерима со скоростью света, в следствии эффекта замедления времени, они успевают долететь до Земли, где регистрируются приборами).
Кардинальным образом изменилось представление о взаимодействии. В механике Ньютона предполагалось, что тела действуют друг на друга мгновенно через пустоту (теория дальнодействия). В электродинамике получила развитие теория близкодействия: каждое из взаимодействующих тел создает электромагнитное поле, которое с конечной скоростью распространяется в пространстве.
Теория Максвелла объединила большое число электрических, магнитных, оптических явлений в единую область электромагнитных явлений. При этом отмечалось, что в природе возможны качественно различные виды движений: механические, тепловые, электромагнитные. Движение может происходить как в виде волн, так и в виде частиц, но существует предельная скорость распространения с=3*108м/с.
Уравнения Максвелла по заданным начальным ( и обязательно граничным) условиям позволяют определить состояние системы в последующие моменты времени, но не в прошедшие, тем самым подчеркивая необратимость хода времени. Причинность носит статистический характер: одна и та же причина при одинаковых условиях вызывает приблизительно одинаковый результат, допуская отклонения (флуктуации). Можно отыскать закономерности, которым подчиняется большинство.
Если во времена расцвета МКМ стремились объяснить все электромагнитные явления с помощью механических процессов, то в начале 20 в. стали выводить законы движения частиц из электромагнитной теории. Частицы вещества пытались рассматривать как «сгустки» электромагнитного поля. Однако свести все процессы в природе к электромагнитным тоже не удалось. Уравнения движения частиц и закон гравитационного взаимодействия не могут быть выведены из теории электромагнитного поля. Уравнения Максвелла не работали, когда с их помощью пытались объяснить излучение веществом коротких электромагнитных волн. Отказ от законов классической физики применительно к микроскопическим системам и излучению привел к зарождению в начале 20 в. новой физической теории – квантовой теории.
studfiles.net
4.3. Электромагнитная картина мира
На протяжении XIX в. продолжались попытки объяснить электромагнитные явления в рамках механической картины мира. Но это оказалось невозможным: электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов. Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фа-радея и Дж. Максвелла. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.
Свою теорию Максвелл разработал на основе открытого Фара-деем явления электромагнитной индукции. Проводя эксперименты с магнитной стрелкой, стремясь объяснить природу электрических и магнитных явлений, Фарадей пришел к выводу, что вращение магнитной стрелки обусловлено не электрическими зарядами, которые находятся в проводнике, а особым состоянием окружающей среды, которое возникало в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим он ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Это открытие привело Фа-радея к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи новыми континуальными, непрерывными.
Теория электромагнитного поля Максвелла сводится к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Так в физику была
81
введена новая реальность — электромагнитное поле. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с этой теорией мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.
Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, известных как уравнения Максвелла.
Сущность уравнений классической электродинамики сводится к закону Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона , а также к утверждениям о том,
что магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца; магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.
Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля, что позволяет единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.
Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальными, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.
Кардинально изменились лишь представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым). Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным
82
пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Согласно электромагнитной картине мира, материя существует в двух видах — вещество и поле. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая постоянно новые области пространства. Заполнение пространства электромагнитным полем нельзя описать на основе законов Ньютона, так как механика не понимает этого механизма. В электромагнетизме изменение одной сущности (магнитного поля) приводит к появлению другой сущности (электрического поля). Обе эти сущности образуют в совокупности электромагнитное поле. В механике же одно материальное явление не зависит от изменения другого, и вместе они не создают единой сущности.
Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.
Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.
Концепция абсолютного пространства и абсолютного времени Ньютона не подходила к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля — это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время нельзя рассматривать как самостоятельные, независимые от материи сущности. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени.
Первоначально в понимании пространства и времени электромагнитная картина мира исходила из убеждения, что абсолютное пустое пространство заполнено мировым эфиром. С неподвижным эфиром ученые пытались связать абсолютную систему отсчета. При этом для объяснения многих материальных явлений эфиру приходилось приписывать необычные свойства, зачастую противоречащие друг другу. Однако создание специальной теории относитель-
83
ности вынудило ученых отказаться от идеи эфира, поскольку данная теория исходила из относительности длины, времени и массы, т.е. из их зависимости от системы отсчета. Поэтому лишь к началу XX в. абсолютная концепция пространства и времени уступила место реляционной (относительной) концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга. При этом пространство и время являются свойствами материальных тел.
Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.
Законы электродинамики, как и законы классической механики, все еще однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайность пытались исключить из физической картины мира. Однако в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.
Не менялось в электромагнитной картине мира и представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды еще более упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.
Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет ограниченный характер. Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств — заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все
84
это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной мира. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.
studfiles.net
Представления о структуре и уровнях строения материи
Лекция 3.
Уровни организации материи
Два представления о структуре материи были сформулированы примерно 2500 лет назад в античной натурфилософии: атомистическая концепция Демокрита (Демокрит, ок. 469-370до. н.э. – ему приписываются более 70 подлинных сочинений по философии и другим наукам, но утерянные) и континуальная доктрина Аристотеля (Аристотель,384-322до н.э. – основатель собственной школы в Ликее и создатель сочинения «Метафизика»). По первому представлению – материя делима до определенного предела
– до атомов, которые могут соединяться различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. По Демокриту мир образован двумя фундаментальными началами – атомами и пустотой, а материя обладает атомистической структурой. По второму представлению – признавалась бесконечная делимость материи, материя непрерывна, а пространство – вместилище, непрерывно заполненное материей, без пустот, материя изначально является бесструктурной.
Данные представления о структуре материи просуществовали вплоть до начала XX в. Атомы рассматривались как плотные образования материи, как предел физического его деления. В рамках атомистической концепции строения материи была развита классическая механика Ньютона, которая доминировала в описании природы вплоть до начала XX в.
Однако в рамки механической картины мира не вписывалась оптика. Электродинамика Максвелла привела в итоге к поразительному открытию в науке: свет является разновидностью электромагнитных волн. Это открытие совершенно иначе представило проблему строения материи, это открытие в итоге привело к признанию существования электромагнитного поля как нового вида физической реальности, что обусловило поворот от идей атомизма к континуальной концепции строения материи. Но эта концепция не отрицала атомистической концепции вообще, а отрицала лишь ее конкретную механическую модель, более того атомизм был возрожден на более глубоком уровне строения материи – само электричество оказалось «атомистичным», состоящим из электронов – мельчайших электрически заряженных частиц.
Следующий шаг в развитии наших представлений о структуре материи совершил де Бройль, который показал, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и микрочастицам вещества присущ волновой характер (т.н. корпускулярно-волновойдуализм).
Согласно же представлениям современного естествознания на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные и иерархически организованные системы.
Внеживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику.
Вживой природе к структурным уровням организации материи относят: системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень
46
биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.
В современном естествознании выделяют три уровня строения материи.
Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в мм, см, м, км, а время в с, мин, час, год.
Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов от 10-8 до10-15 см, а время жизни – от бесконечности до10-24 с.
Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется в парсеках или световых годах, время существования объектов миллиарды лет.
Макромир. Механическая картина мира
В истории изучения природы выделяется два этапа: донаучный и научный. Донаучный или натурфилософский охватывает период от античности до становления
экспериментального естествознания в XVI-XVIIвв. В этот период учения о природе основывались на умозрительных философских принципах.
Наиболее значимой была концепция дискретного строения материи – атомизм: - все тела состоят из атомов – мельчайших в мире частиц. Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжением и отталкиванием.
Механическая программа описания природы, выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.
Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира – механической. Он разработал методологию нового способа описания природы – научнотеоретического. Суть его в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверить их в условиях научного эксперимента. Такая методологическая концепция Галилея стала решающей в становлении классического естествознания.
И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. В рамках механической картины мира Ньютона и его последователей материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов и корпускул. Пространство, в котором находится материя, было трехмерное и описывалось евклидовой геометрией, оно абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от
пространства, ни от материи. Считалось, что все физические процессы можно подчинить законам механики.
Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. А все физические явления сводились к перемещению материальных точек.
Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт, который считал, что мир можно описать совершенно объективно, без учета человеканаблюдателя (концепция абсолютной дуальности, т.е. независимости мышления и материи).
Образ Вселенной в связи с этим представлялся гигантским механизмом, где события и процессы являют собой цепь взаимосвязанных причин и следствий. Отсюда утвердилась и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И. Р. Пригожин назвал эту веру в предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».
Механический подход к описанию природы оказался необычно плодотворным. На основе ньютоновской механики были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическаятеория и ряд других теорий. Физика как наука достигала огромных успехов в своем развитии и заняла лидирующее положение среди других наук.
Электродинамическая картина мира. Концепция о двух видах материи
В XVIII – XIX вв. в науке стали изучаться две области явлений – оптические и электромагнитные, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механической картины мира. Так, например, оптические явления описывались одновременно как механической корпускулярной теорией, так и волновой теорий. А такие оптические явления как дифракция и интерференция объяснялись только волновой теорией (Х. Гюйгенс, Т. Юнг, О.Ж. Френель). Суть интерференции можно описывалась парадоксальным утверждением: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. И причина в том, что свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение.
Эксперименты английского ученого М. Фарадея и теоретические работы английского физики Дж. К. Максвелла в области электромагнитных явлений в итоге разрушили представления о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. М. Фарадей приходит к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его идеи стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, который, используя математические методы, «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. И что удивительно, в его теории вспомогательного математического понятие «поле сил» переросло в самостоятельную физическую реальность – электромагнитное поле, как бы подтверждая утверждение Галилея – «Книга природы написана на языке математики». «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном
studfiles.net
Электромагнитная картина мира
В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механической модели эфира, несовпадении механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Основная трудность в объяснении света при помощи понятия эфира состояла в следующем: если эфир - сплошная среда, то он не должен препятствовать движению в нем тел и, следовательно, должен быть подобен очень легкому газу. В опытах со светом были установлены два фундаментальных факта: световые и электромагнитные колебания являются не продольными, а поперечными, и скорость распространения этих колебаний очень велика. В механике же было показано, что поперечные колебания возможны только в твердых телах, причем скорость их зависит от плотности тела. Для такой большой скорости, как скорость света, плотность эфира во много раз должна была превосходить плотность стали. Но тогда, как же двигаются тела?
Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира.
Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.
Движение понималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.
Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям. Поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет. Так же и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями. Понимание пространства и времени как абсолютных уступило место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.
Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия; любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. *
Хотя законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона.
Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.
Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.
Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона 1881 - 1887 гг., где он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом теле. По теории Максвелла, такое движение можно было обнаружить, но опыт не подтверждал этого. Но тогда об этих мелких неприятностях и неувязках физики постарались забыть, более того, выводы теории Максвелла были абсолютизированы, так что даже такой крупный физик, как Кирхгоф, считал, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.
Но к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.
Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили Лоренц и Пуанкаре, чьи работы завершают доэйнштейновский период развития физики.
Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития.
Именно так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. В этой теории, созданной в 1916 г., Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел Понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.
Но даже создание этой теории уже не могло спасти электромагнитную картину мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей. На этой основе появились эмпирические модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира. А в 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения.
studfiles.net
1. Электромагнитная картина мира
Лекции 7-9
ТЕМА: ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ КАРТИН МИРА, ч. III
1. Электромагнитная картина мира 1
1.1 Формирование понятия электромагнитного поля 1
как новой физической реальности 1
1.2. Специальная теория относительности 2
1.3 Общая теория относительности. 4
1.4 Основные понятия и принципы ЭМКМ 5
2. Квантово-полевая картина мира 6
2.1 Формирование идеи квантования физических величин 6
2.2 Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества 7
2.3 Основные понятия и принципы КПКМ 8
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 (исследования Б.Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения + и – для зарядов).
В 1759 г. английский естествоиспытатель Р.Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.
В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,610-19Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массуmoe=9,110-31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порцийq=ne, гдеn– целое число.
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.
1.1 Формирование понятия электромагнитного поля как новой физической реальности
Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).
Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла. Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля.Таким образом, в физику была введенановая реальность – электромагнитное поле.Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью,материальным носителем взаимодействия.
Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)
Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.
| Уравнение | Утверждение |
| div E q | Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона |
| div H = 0 | Магнитные заряды не существуют |
| Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток | |
| Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями |
Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.
Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».
Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла.Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц». Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.
Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А.Эйнштейна.
studfiles.net
Научная картина мира.
Найдыш, Садохин – учебники.
План:
НКН, понятие, структура, функции.
Эволюция научных картин мира.
А) классическая картина мира.
А1) механическая картина мира.
А2) электро-динамическая картина мира.
Б) нео-классическая картина мира.
В) пост-классическая картина мира.
2. НКН – это научное мировоззрение, то есть взгляд на мир с научной точки зрения. В истории человечества научное мировоззрение появляется довольно поздно, начинает формироваться с 16 века н. э. до этого основными типами мировоззрения были мифология, религия, философия. Науке непосредственно предшествовала натурфилософия. Натурфилософия возникает в античной философии еще в 6 веке до н. э. Натурфилософия содержала в себе зачатки научных представлений древних в обобщенном виде.
Начиная с 15 века, появляется экспериментальное естествознание. И в то же время возникает потребность в углублении и расширении знаний. В связи с этим, начиная с 15 века, в натур-философии появляется разделения на частные науки.
Первой научной проблемой стала проблема изучения механического движения.
В период с 16 по 18 век складывается основной круг научных проблем и основные подходы к их решению. В этот период складывается классическая картина мира.
Механическая картина мира.
16-17 века. Основоположниками являлись Исаак Ньютон, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер. Научное описание мира в любом мировоззрении начинается с проблемы поиска элементарных объектов. То есть самых маленьких «кирпичиков» мироздания. С точки зрения Ньютона элементарными объектами мира являются атомы. Представление об атомах появилось еще в 4 веке до н. э. и придумали их Левкипп и Демокрит. Атомы – это мельчайшие далее неделимые материальные частицы, они находятся в постоянном движении, двигаясь, сталкиваются, и по мысли Демокрита сочетаются в пустом пространстве. Атомы различаются по форме и размерам, соответственно образование того или иного тела зависит от того, какие атомы сочетаются между собой.
Ньютону, как ученому, было важно объяснить, что является причиной движения и сочетания атомов. По мнению Ньютона, основной причиной движения атомов является гравитация (силу притяжения, которая действует между всеми материальными телами (это первое свойство гравитации «универсальность). Второе свойство гравитации – интенсивность. Гравитация это самая малая сила, которая только существует в природе.
Еще одной научной проблемой для Ньютона была проблема устройства пространства и времени. Разделяя атомистику Демокрита, Ньютон соглашался и с его представлениями о пространстве и времени. Ньютон полагал, что пространство – это абсолютная пустота, вечная и неизменная, которая существует независимо от наполняющих её предметов. Время он понимал как чистую длительность, «без примесей событий».
В целом, мир в механическом мировоззрении представлялся как гигантская машина, механизм. Прообразами мира и человека считались механизмы, особенно популярными прообразом были механические часы, в том смысле, что все последовательно: «одно колесико, крутит другое и тд». В мире, как в механизме, не может быть случайны деталей. Мировоззренческим выводом по механической картине мира была идея Лапласовского детерминизма. Детерминизм –философское учение о причине и следствии. Проблемой в этом учении является вопрос о случайности или закономерности мира. Лапласовское учение это идея жёсткого детерминизма, идея о том, что никаких случайностей нет и быть не может, все имеет свою причину, отсюда основной целью классической науки является выявления внутренних причин.
studfiles.net
