Естественно-научная картина мира

Имена учёных, внесших  основной вклад в создание МКМ: Н.Коперник, Г.Галилей, Р.Декарт, И.Ньютон, П.Лаплас и др. 

Рис. 5.28.1. Гелиоцентрическая  система 
 

Николай Коперник был первым человеком, сумевшим нанести сокрушительный удар по геоцентрическим системам мира. В мае 1543 года увидела свет его книга «О вращениях небесных сфер». Учение Коперника противоречило церковным воззрениям на устройство мира и сыграло огромную роль в истории мировой науки. 

Основоположником механической картины мира по праву считается Галилео Галилей (Galilei) (1564-1642), итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Всеми своими силами он боролся против схоластики, считая единственно верной основой познания опыт. Деятельность Галилея не нравилась церкви, он был подвергнут суду инквизиции (1633), вынудившей его отречься от своего учения. До конца жизни Галилей был принужден жить под домашним арестом на своей вилле Арчетри близ Флоренции. И только в 1992 году папа Иоанн Павел II реабилитировал Галилея и объявил решение суда инквизиции ошибочным. В годы детства и юности Галилея в науке господствовали представления об окружающем мире, сохранившиеся со времён античности. И Галилей был одним из первых, кто отважился выступить против них. Механическая картина мира возникла, когда главным критерием истины был признан опыт, а для описания явлений природы стали активно применять математику. Многие ставшие догмой утверждения Аристотеля не выдерживали проверки опытом. Аристотель, например, утверждал, что скорость падения тел пропорциональна их весу. Галилей в присутствии многочисленных свидетелей проводил наблюдения за падением с Пизанской башни тел различной массы (например, мушкетной пули и пушечного ядра). Оказалось, что скорость падения тел не зависит от их массы. Важнейшим достижением Галилея было открытие принципа относительности. Галилей сконструировал первый в мире термоскоп, который явился прообразом термометра. Направив подзорную трубу в небо, он сделал несколько выдающихся астрономических открытий: спутники Юпитера, фазы Венеры, строение Млечного Пути, солнечные пятна, кратеры и горы на Луне. Наблюдения за движением небесных тел сделали его убеждённым сторонником гелиоцентрической системы (рис.5.28.1). Открытия Галилея подрывали доверие к официальным взглядам на строение мира, пропитанным религиозными догмами. 

Рене Декарт (Descartes, или Cartesius, 1596-1650), французский  философ, математик, физик и физиолог, заложивший основы аналитической геометрии, определивший понятия переменной величины и функции, предположил существование закона сохранения количества движения, положил в основу своих построений принцип несотворимости и неуничтожимости движения. При этом все формы движения он сводил к механическому перемещению тел. 

Исаак Ньютон (Newton) (1643-1727), английский математик, механик, астроном и физик, разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления. Он построил первый в мире зеркальный телескоп, чётко сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, сформулировал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Пространство и время в механике Ньютона являются абсолютными. Следует сказать, что работы Ньютона в механике, оптике и математике намного опередили его время, а многие его работы актуальны и сейчас. На языке Ньютона говорит вся современная наука. 

Лаплас (Laplace) Пьер Симон (1749-1827), французский астроном, математик, физик был автором  классических трудов по теории вероятностей и небесной механике. Лапласом и  Кантом была предложена гипотеза происхождения Солнечной системы из газопылевого облака, развитая современными астрономами. 

Коротко перечислим основные черты механической картины  мира.  

Все материальные тела состоят из молекул, находящихся  в непрерывном и хаотическом  механическом движении. Материя - вещество, состоящее из неделимых частиц. 

Взаимодействие  тел осуществляется согласно принципа дальнодействия, мгновенно на любые  расстояния (закон всемирного тяготения, закон Кулона), или при непосредственном контакте (силы упругости, силы трения).  

Пространство - пустое вместилище тел. Всё пространство заполняет невидимая невесомая  «жидкость» - эфир. Время - простая длительность процессов. Время абсолютно. 

Всё движение происходит на основе законов механики Ньютона, все наблюдаемые явления и превращения сводятся к механическим перемещениям и столкновениям атомов и молекул. Мир выглядит как колоссальная машина с множеством деталей, рычагов, колёсиков.  

Точно так же представляются и процессы, протекающие  в живой природе.  

Механика описывает все процессы, происходящие в микромире и макромире. В механической картине мира господствует лапласовский детерминизм - учение о всеобщей закономерной связи и причинной обусловленности всех явлений в природе. 

Механика и  оптика составляли основное содержание физики до начала XIX века. Картина мира строилась на достаточно очевидных и простых механических аналогиях. И в повседневной практической деятельности людей основные выводы классической механики не приводили к противоречиям с опытными данными.  

Однако позже, с развитием средств измерения, стало известно, что при изучении многих явлений, например, небесной механики необходимо учитывать сложные эффекты, связанные с движением частиц со скоростями, близкими к световым. 

Появились уравнения  специальной теории относительности, с трудом вмещающиеся в рамки механических представлений. Изучая свойства микрочастиц, ученые выяснили, что в явлениях микромира частицы могут обладать свойствами волны.  

Возникли трудности  при описании электромагнитных явлений (испускание, распространение и поглощение света, электромагнитной волны), которые не могли быть разрешены классической ньютоновской механикой. 

Однако с развитием  науки механическая картина мира не была отброшена, а лишь был вскрыт её относительный характер. Механическая картина мира используется и сейчас во многих случаях, когда, например, в рассматриваемых нами явлениях материальные объекты движутся с небольшими скоростями, и мы имеем дело с небольшими энергиями взаимодействия. Механический взгляд на мир по-прежнему остается актуальным, когда мы сооружаем здания, строим дороги и мосты, проектируем плотины и прокладываем каналы, рассчитываем крыло самолета или решаем другие многочисленные задачи, возникающие в нашей повседневной человеческой жизни. 

Электромагнитная картина мира 
 

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в  результате исследований научные факты  не совсем вписывались в устоявшиеся  механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ).  

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М.Фарадеем и Дж.Максвеллом, Г.Герцем. 

М.Фарадей, отказываясь  от концепции дальнодействия (переносчик взаимодействия) вводит понятие физического  поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки  и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Дж.Максвелл развивает теория электромагнитного поля, а Г.Герц экспериментально открывает электромагнитные волны. 

В ЭМКМ весь мир  заполнен электромагнитным эфиром, который  может находиться в различных  состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света. 

Материя считается  непрерывной. Все законы природы  сводятся к уравнениям Дж.Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.  

На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все  известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.  

Делаются попытки  свести механическое описание явлений  к описанию на основе теории электромагнитного  поля. Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной  и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к  нескольким математически строгим, хотя и очень сложным, соотношениям. 

Понятие эфира (как  переносчика света и электромагнитных волн) медленно эволюционирует - вплоть до полного отказа в конечном итоге  от самой концепции эфира.  

Меняются представления  учёных о пространстве и времени. Появляются первые работы А.Эйнштейна по теории относительности. В научных работах зарождаются новые взгляды на природу тяготения, отличные от тех, что развивались в механической картине мира.  

Вселенная как  бы обретает совершенно новые черты. Ученые обнаруживают «разбегание» галактик. 

ЭМКМ расширяется, уточняется и углубляется. Учёные строят всё новые и новые модели атома, стремясь узнать, какая из них все-таки ближе всего к истине.  

Наиболее красивой и точной стала планетарная модель атома, созданная Э.Резерфордом. Но именно она стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.  

Уже в конце XIX, начале XX века экспериментальные данные, полученные при изучении микро- и  мегамира, резко расходились с  предсказаниями существующих естественно-научных теорий, требовали разработки новых, более точных и адекватных сущности многих загадочных явлений. 

Не смотря на это, электромагнитная картина мира подарила нам очень многое, без  чего мы не можем представить современную жизнь: способы получения и использования электрической энергии, к примеру, электрическое освещение (без которого уже немыслимы наши жилища) и отопление, современные электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение). Без радиосвязи, например, уже невозможно существование современных государств, функционирование транспорта и производства, немыслимо даже повседневное общение людей. 

Квантово-полевая  картина мира 
 

Практические  потребности людей, их постоянный интерес  к вопросу об устройстве мира, привели к созданию совершенно новой теории - квантовой теории поля и на её основе квантово-полевой картины мира (КПКМ). 

В КПКМ возникает  новая концепция - квантовое волновое поле, которое является наиболее фундаментальной  и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее проявлений, как волновых, так и корпускулярных. На смену классическим полям типа электромагнитного поля Фарадея-Максвелла и классическим частицам приходят единые объекты - квантовые поля. 

Основоположниками новой физической картины мира стали Макс Планк, Нильс Бор, Луи де Бройль, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и многие другие не менее известные и выдающиеся учёные. 

Центральными  понятиями новой картины мира стали понятия «квант энергии», «дискретные  состояния», «корпускулярно-волновой дуализм».  

У частиц обнаружили волновые свойства (дифракция электронов), у электромагнитных волн - корпускулярные. Оказалось, что законы макромира  отличаются от законов микромира. Микрообъекты обладают как корпускулярными, так  и волновыми свойствами.  

На первое место  в изучении явлений природы выдвинулись  квантовая механика и квантовая  электродинамика. В КПКМ выясняется обменный характер взаимодействия, описываются  четыре вида фундаментальных силовых  взаимодействий, возникают новые представления о материи, движении, взаимодействии, энергии, массе. 

Как и остальные  картины мира, за время своего существования  в XX веке КПКМ претерпевало существенное развитие. Полное и целостное рассмотрение квантово-полевой картины мира является очень сложной задачей и на данном этапе практически невыполнимой, но отдельные элементы КПКМ изучаются в старших классах средней школы на занятиях по физике, химии, биологии и астрономии.  

Благодаря многочисленным экспериментам и настойчивым  теоретическим изысканиям у физиков ХХ века появилось ощущение необыкновенного могущества, когда наука существенно продвинулась в изучении строения атома и атомного ядра, природы элементарных частиц. Это чувство подкрепилось в середине и во второй половине ХХ века, когда законы современной физики оказалось возможным применить к явлениям жизни. Не случайно основоположниками молекулярной биологии считаются в том числе и известные физики (Эрвин Шрёдингер, Макс Дельбрюк).