Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

МОСКОВСКИЙ  ГУМАНИТАРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ 

     ТВЕРСКОЙ  ФИЛИАЛ

 
 

     РЕФЕРАТ 
 

Студента 331-П группы 3 курса факультета психологии 

Малышевой Марии Андреевны 

Учебная дисциплина: концепции современного естествознания 

Тема: Корпускулярная и континуальная концепции описания   природы 
 
 
 
 
 
 

                                Преподаватель: Бутузов А.А., к.б.н., доц.  
План 

Введение____________________________стр. 3-4

Основная часть

1.Корпускулярная и континуальная концепции

   описания природы_______________________________стр. 5-10

2.Вещество и поле_________________________________стр.11-14

Заключение__________________________стр. 15

Список литературы____________________стр. 16 

 

Введение 

     С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

     Другое представление - атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, «зернистости» реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа - Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой.

     Эти представления о структуре материи просуществовали фактически без существенных изменений до начала XX века, оставаясь двумя антиномиями, определяющими «поле битвы» крупнейших мыслителей. Триумф ньютоновской механики значительно укрепил позиции сторонников корпускулярной структуры материи. И хотя эмпирических доказательств «зернистости» газов, жидкостей, твердых тел, световых пучков в то время не существовало, сама идея считать эти объекты состоящими из взаимодействующих материальных точек была слишком привлекательной, чтобы ею не воспользоваться.

     Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в чистом виде оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 10 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины, то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов.  

 

     1. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы 

     Время непрерывно (или дискретно, как полагают некоторые). Поэтому для понимания его необходимо разобраться в природе континуума. В своей работе, посвященной анализу математического континуума, Георг Кантор подчеркивал, что невозможно определить континуум, если исходить из представлений о времени или пространстве, потому что сами эти представления могут быть объяснены только с помощью понятия континуума, которое должно быть исходным и простым и не должно зависеть в своем содержании от других понятий. Это утверждение Кантора связано с его пониманием теории множеств как общего фундамента и математики в целом, и теории континуума в особенности.

     Надо сказать, что размышления о природе времени с первых шагов научной и философской мысли в Древней Греции были неразрывно связаны с попытками решить проблему континуума. Ведь время, так же как и пространство, и движение представляет собой континуум, который можно мыслить либо как состоящий из неделимых элементов (моментов-“мигов” — времени, неделимых частей — точек — пространства или “частей” движения), либо же как бесконечно делимую — в точном смысле непрерывную — величину. Вот что пишет в этой связи Герман Вейль, чьи работы по философии и математике можно отнести к классическим: “Издавна противостоят друг другу атомистическая концепция, согласно которой континуум состоит из отдельных точек, и противоположная точка зрения, считающая невозможным понять таким образом непрерывное течение. Первая концепция дает нам построенную логически систему неподвижно сущих элементов, но она не в состоянии объяснить движение и действие; всякое изменение сводится для нее к иллюзии. Второй же концепции не удалось ни во времена античного мира, ни позже, вплоть до Галилея, вырваться из сферы туманной интуиции, чтобы проникнуть в область абстрактных понятий, необходимых для рационального анализа действительности. Достигнутое в конце концов решение — это то, математически-систематическим образцом которого служит дифференциальное и интегральное исчисление. Но современная критика анализа снова разрушает изнутри это решение, хотя, правда, она и не дает себе ясного отчета во всем значении старой философской проблемы и приходит в итоге к хаосу и бессмыслице”.

     Противостояние двух точек зрения на природу континуума — атомистической, представители которой мыслят непрерывное состоящим из неделимых элементов, и антиатомистической, защитники которой отрицают возможность составить континуум из неделимых в качестве их суммы, в основе своей имеет онтологическую дилемму, сформулированную еще древними философами, обсуждавшуюся на протяжении многих веков и не утратившую своей актуальности и сегодня: что является реально существующим и составляет подлинный предмет научного знания: бытие или становление? С V в. до н. э., прежде всего в учениях элеатов, а затем Платона получает свое первое и достаточно глубокое обоснование точка зрения, что реально существует лишь то, что неизменно и самотождественно; оно и получает название бытия. В силу именно своей неизменности и тождества самому себе бытие только и может быть постигнуто разумом с помощью понятий и, таким образом, стать предметом строгого научного знания. Что же касается окружающего нас чувственного мира, в котором происходит непрерывное изменение, движение, все явления которого претерпевают трансформации и никогда не остаются тождественными и равными себе, то он являет собой не бытие, а становление и в качестве такового есть предмет не знания, а лишь изменчивого и недостоверного мнения.

     При обсуждении вопроса о природе континуума и особенно о природе времени как одномерного и необратимого континуума эта антитеза бытия и становления играет важную роль. Что касается времени, то тут ситуация особенно наглядна: те, кто считают предметом науки бытие как начало устойчивости и постоянства, а потому ищут неизменную основу изменчивых явлений, склонны устранять фактор времени при изучении природы. Напротив, те, кто отождествляют понятия “природа” и “становление” и пытаются создать средства для познания самого изменения и движения, убеждены в том, что время есть ключевой фактор в жизни природы и соответственно играет ведущую роль в ее познании.

     Предположим, что пулемет обстреливает броневой щит с двумя близко расположенными отверстиями 1 и 2, так что часть пуль пролетает сквозь эти отверстия и попадает на экран, который мы будем рассматривать как наблюдательный. Пролетающие через отверстия пули сильно рассеиваются и поэтому довольно равномерно покрывают значительную площадь экрана. Очевидно, что если I 1 - плотность потока пуль в некоторой точке экрана, проходящих через отверстие 1 (при закрытом отверстии 2), а I 2 - плотность потока пуль в той же точке экрана, проходящих через отверстие 2 (при закрытом отверстии 1), то плотность потока пуль через оба отверстия будет равна .

     Таков закон сложения двух потоков частиц или корпускул. Кроме того, в принципе возможен точный расчет траектории полета и места попадания на экран любой пули.

     Рассмотрим теперь вместо пулемета источник волн на поверхности моря. Эти волны распространяются вплоть до заградительного ряда из барж, между которыми оставлены два близко расположенных прохода, проход 1 и проход 2. Волны, прошедшие через эти проходы, в конце концов, достигают наблюдательного экрана.

     Рассматриваемые волны характеризуются отклонением H поверхности воды от равновесного уровня. H является функцией координат и времени и аналогична волновой функции квантовой механики. Она представляет собой бегущую волну, например, синусоидального вида:  

      ,

     где r - расстояние до прохода, - длина волны, T - период колебаний.

     Распространение волн, однако, значительно отличается от полета пуль. Во-первых, волновая функция H принимает отрицательные значения, потому что уровень воды отклоняется то вверх, то вниз. Во-вторых, плотность потока энергии волн зависит от квадрата волновой функции: .

     В-третьих, нельзя говорить, что волна прошла от источника до экрана либо через проход 1, либо через проход 2, как это было в случае пуль, волна использует оба прохода. Если закрыть один из проходов, волнение перед экраном изменится качественно, а не просто уменьшится вдвое, как в случае пуль. Волнение H , возникающее, если открыт только проход 1, складывается с волнением H , возникающим, если открыт только проход 2: H = H + H

     Это называется суперпозицией. При этом образуются зоны, где суммарная волновая функция равна нулю: H = H + H = 0

     Это зоны спокойной воды, где отсутствует волнение, где одна волна погасила другую. Такое явление называется интерференцией. При интерференции складываются волновые функции, а не плотности потоков. Результирующая плотность потока может быть вычислена как квадрат суммарной волновой функции:  

       

     В частности, плотность потока равна нулю в зонах, где отсутствует волнение.

     Электромагнитные волны, которые мы для краткости будем называть светом, на первый взгляд, похожи на морские волны. Мы снова рассмотрим конструкцию того же типа: источник освещает непрозрачный экран с двумя близко расположенными отверстиями, 1 и 2, за которым находится наблюдательный экран. На этом экране наблюдается интерференционная картина. Однако при уменьшении интенсивности света становится очевидно, что интерференционная картина распадается на отдельные вспышки. Если наблюдательный экран покрыт светочувствительным слоем, он постепенно покроется черными фотографическими зернами. Это происходит потому, что свет распространяется и поглощается порциями. Эти порции называются квантами света или фотонами. Атомы светочувствительного слоя, захватывая порции света, возбуждаются и при проявлении становятся зародышами фотографических зерен.

     Квантование света использовал Планк и доказал Эйнштейн, объяснив фотоэффект. Энергия фотонов равна  

      ,  

     а импульс фотонов  

      ,  

     где h = 6,6·10-34 Дж·с - постоянная Планка, - частота света, - длина волны.

     Задолго до Эйнштейна, во времена торжества волновой теории света, только Ньютон с прозорливостью гения последовательно отстаивал корпускулярную теорию света, несмотря на полную невозможность совместить ее с результатами интерференционных опытов. Интерференция фотонов действительно не может быть объяснена в том смысле, что не существует аналогичного явления в знакомом нам макроскопическом мире вещей.

     Переход от механики точки к механике континуума его предшественники и современники пытались осуществить на основе молекулярных представлений. Материальные точки — это корпускулы (тельца) и центры сил. Иначе говоря, имели в виду, собственно, не механику континуума, а механику на уровне молекулярного строения вещества. Для успешного решения такой проблемы в то время не была еще подготовлена почва ни в физике, ни в математике. Огромным достижением Эйлера в математической физике является то, что он смог преодолеть традицию и найти новый плодотворный подход: подход с точки зрения теории поля (по современной терминологии). Такой подход можно заметить и в некоторых работах Эйлера 40-х годов; вполне четко он выступает в классической работе 1753 г. «Общие принципы состояния равновесия жидкостей», Эйлер окончательно освободился от корпускулярной традиции и настаивает на том, что принципы механики нужно применять непосредственно к реальным телам, исходя из непрерывного распределения в них вещества. В этой континуальной модели корпускула становится математической точкой — носителем трех координат, и только.

     Если закрыть отверстие 2, интерференционная картина исчезнет. Магнитная составляющая H электромагнитной световой волны, прошедшей через отверстие 1, сделается примерно одинаковой в различных точках экрана. Соответственно, экран будет равномерно покрываться фотографическими зернами. В этом не было бы ничего удивительного. Однако после открывания отверстия 2 фотоны перестанут попадать в те места, где суммарная волновая функция H = H + H = 0, несмотря на то, что отверстие 1 по-прежнему остается открытым. Невозможно понять, каким образом фотоны могут гасить фотоны.