В. М. Найдыш Концепции современного естествознания

Вид материала

Учебник

Подобный материал:

• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 7129.15kb.
• Найдыш В. М. Концепции современного естествознания, 8133.67kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.

Даже в плеяде величайших физиков последних трех столетий Фарадей особенно выделяется. Его взгляды на проблемы физической науки, на материю, движение, на метод исследования в области физики и ее задачи были необычными. То, что научные взгляды Фарадея сильно отличались от воззрений его современников, не случайно. Это определялось своеобразием его пути в


230


науку. Выходец из предместья Лондона, из семьи кузнеца, он не получил систематического образования, был гениальным самоучкой, самостоятельно поднялся до вершин физического знания. Те пути в науке, которые он выбирал, не были скованы традициями и предрассудками.


Получив лишь начальное образование, в 13 лет он был отдан в обучение к книготорговцу и переплетчику. Работая в книжной лавке, Фарадей пристрастился к чтению. Он познакомился с сочинениями видных ученых и философов XVIII — начала XIX в., а особенный интерес проявил к химии. Это пробудило у Фарадея стремление заняться наукой, которое укрепилось после посещения публичных лекций Г. Дэви. В 1812 г. по просьбе Фарадея Дэви взял его к себе в лабораторию. С 1816 г. Фарадей занимается самостоятельными научными исследованиями. Узнав об открытии датского физика Х.К. Эрстеда, он сосредоточился на исследовании электрических и магнитных явлений.


В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. В 1819 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Примерно в это же время A.M. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов и пришел к выводу, что все магнитные явления сводятся к взаимодействию токов, магнитных же зарядов не существует.


Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество». Но только в 1831 г. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Это открытие привело к разработке принципов электродвигателя и электрогенератора, играющих важнейшую роль в современной технике.


Фарадей придерживался оригинальных взглядов на природу материи. Он возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Если пустота — проводник, то все тела должны быть проводниками, а если пустота — не проводник, то все тела должны быть изоляторами. Но ни того, ни другого не наблюдается. Фарадей создает новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы — лишь сгустки силовых линий поля.


231


Материя, по Фарадею, занимает все пространство. Материя активна и немыслима без движения. Ее основными характеристиками являются силы притяжения и отталкивания. Под силой Фарадей подразумевает характеристику активности тела или материи вообще, т.е. его понятие силы скорее ближе к понятию движения, чем собственно силы [1]. Атомы, по Фарадею, являются лишь центрами этих сил притяжения и отталкивания [2]. Они проницаемы и простираются на бесконечно большое пространство. Таким образом, в концепции Фарадея среда между зарядами выступает не просто передатчиком взаимодействия одного заряда с другим, а является носителем сил; заряды же он низводит до ранга вторичных образований, продуктов такого реального силового поля.


1 Не случайно Фарадей наряду со словом «force» употреблял часто и слово «power», что значит еще и способность, мощность, энергия.

2 См.: Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. М.; Л., 1951. Т. II. С. 400.


Общие взгляды Фарадея на материю нашли конкретное выражение в его понимании электромагнитных явлений, основанном на представлении о поле и принципе близкодействия. В основе его теории электричества и магнетизма лежит представление об электрических и магнитных силовых линиях. Силовая линия — это замкнутая кривая, которая проходит через магнит или электрический заряд, к которому принадлежит. Все пространство заполнено тонкими силовыми линиями. Силовые линии объединяются в объемные силовые трубки, по толщине которых можно судить о напряженности поля в данной области пространства.


Фарадей не конкретизировал, что представляют собой эти силовые линии. Он писал: «Те, кто в какой-нибудь мере придерживаются гипотезы эфира, могут рассматривать эти линии как потоки, или как распространяющиеся колебания, или как стационарные волнообразные движения, или как состояние напряжения». В любом случае силовые линии для него — это не просто математический прием, полученный на основе гидродинамических аналогий, а физическое понятие, имеющее реальный аналог в природе. Силовые линии есть характеристики реального электромагнитного поля — некоторого особого вида материи, носителя и передатчика энергии. Возникновение полевой концепции в трудах Фарадея стало началом становления современной континуальной физики.


232


Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный авторитет и славу. Однако к его теоретическим взглядам современники в лучшем случае оставались безразличными. Первым обратил на них серьезное внимание Дж.К. Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике понятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнитных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближаются, а затем, уже в начале XX в., с созданием специальной теории относительности, полностью отождествляются.


Таким образом, понятие поля оказалось очень полезным. Будучи вначале лишь вспомогательной моделью, это понятие становится в физике XIX в. все более и более конструктивной абстракцией. Она позволяла понять многие факты, уже известные в области электрических и магнитных явлений, и предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля завоевало центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий.


7.1.9. Закон сохранения и превращения энергии. В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного превращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали исследования взаимопревращения различных форм движения. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его моторного действия, процессов превращения теплоты в работу и т.д. — все это способствовало возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы. Энергия не возникает из ничего и не уничтожается, она лишь переходит из одного вида в другой — так гласит закон сохранения и превращения энергии.


233


Эту идею в первой половине XIX в. все чаще высказывали ученые, и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг в 1840-х гг. был сделан многими учеными. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Р. Майер, немецкий ученый Г. Гельмгольц и англичанин Дж. Джоуль — манчестерский пивовар, занимавшийся изобретательством и физическими исследованиями.


Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.


Закон сохранения энергии и в настоящее время является важнейшим принципом физической науки. Новая форма действия этого закона основана, в частности, на учете взаимосвязи массы и энергии (Е = mс²): закон сохранения массы применяется в современной физике совместно с законом сохранения энергии.


7.1.10. Концепции пространства и времени. В обосновании классической механики большую роль играли введенные И. Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Эти понятия лежат в основании субстанциальной концепции пространства и времени, в соответствии с которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время — три независимые друг от друга субстанции, начала мира.


Абсолютное пространство — это чистое и неподвижное вместилище тел; абсолютное время — чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира, в котором есть только одно абсолютное пространство и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же существование мира, в котором есть пространство и время, но нет материи; либо же существование мира, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи. По мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время — это реальные физические характеристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции; возможно, только в будущем физика сумеет найти реальные системы, соответствующие абсолютному пространству и абсолютному времени. В своей же повседневной действительности человек имеет дело с относительными движениями, связывая системы отсчета с теми или иными конкретными телами, т.е. имеет дело с относительным пространством и относительным временем.


234


Физики долгое время полностью придерживались субстанциальной концепции Ньютона, повторяли его определения понятий абсолютного пространства и времени. Только некоторые философы критиковали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Так, Г.В. Лейбниц, «вечный оппонент» Ньютона, выступил с критикой субстанциальной концепции и отстаивал принципы реляционной теории пространства и времени, считая «пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком существований, а время — порядком последовательностей. Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия» [1]. Однако в XVIII в. критика субстанциальной концепции Ньютона и философская разработка реляционной теории пространства и времени не оказали существенного воздействия на физику. Естествоиспытатели продолжали пользоваться представлениями Ньютона об абсолютном пространстве и времени, различаясь между собой лишь признанием или непризнанием наличия пустого пространства.


1 Лейбниц Г.В. Переписка с Кларком // Соч.: В 4т. М., 1982. Т. 1. С. 441.


Проблема пространства — особая проблема, объединяющая физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами ев-клидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся истина. «Здравый смысл» был философски воплощен И. Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные априорные «формы чувственного созерцания». Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, вообще являются единственно возможными.


235


Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии. Безуспешность попыток ряда ученых многих поколений доказать пятый постулат Евклида привела к мысли о его недоказуемости, а вместе с тем и о возможности построения геометрии, основанной на других постулатах. Одним из первых пришел к этой мысли немецкий математик К.Ф. Гаусс, который еще в начале XIX в. стал размышлять над вопросом о возможности создания другой, неевклидовой, геометрии. Гаусс высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Однако он не пожелал втягиваться в острую дискуссию и скрывал от современников свои идеи о возможности неевклидовых геометрий, но когда эти идеи были «озвучены» другими, внимательно следил за исследованиями в этой области [1].


Родиной неевклидовых геометрий стала Россия. В 1826 г. на заседании физико-математического факультета Казанского университета Н. И. Лобачевский сделал сообщение об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал работу «Начала геометрии», в которой показал, что можно построить непротиворечивую геометрию, отличную от всем известной и казавшейся единственно возможной геометрии Евклида [2]. Лобачевский считал, что вопрос о том, законам какой геометрии подчиняется реальное пространство — евклидовой или неевклидовой геометрии — должен решить опыт, и прежде всего астрономические наблюдения. Он полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения, и считал вполне возможным, что «некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии» [3].


1 Интересно, что когда вышли в свет работы Н.И. Лобачевского по основаниям геометрии, то Гаусс овладел русским языком с основной целью изучать работы Лобачевского.

2 В 1832 г. венгерский математик Я. Больяй опубликовал работу, в которой (независимо от Лобачевского) также развил основные идеи неевклидовой геометрии.

3 Лобачевский Н.И. Полн. собр. соч. М.; Л., 1949. Т. 2. С. 159.


Спустя почти 40 лет после работ Лобачевского, в 1868 г. была опубликована работа Б. Р и м а н а «О гипотезах, лежащих в основании геометрии». Опираясь на идею о возможности геометрии, отличной от евклидовой, Риман подошел к этому вопросу с несколько иных позиций, чем Лобачевский. Он вводит обобщенное понятие пространства как непрерывного многообразия n-го порядка или совокупности любого рода однотипных объектов — точек, определяемых системой чисел (x₁, x₂, ..., х_n). Используя работы Гаусса по внутренней геометрии поверхностей в обычном


236


трехмерном пространстве и ее аналитический аппарат, позволяющий определять линейный элемент поверхности, Риман вводит для характеристики многообразия n-го порядка понятие расстояния между бесконечно близкими точками ds и понятие кривизны для каждой точки этого многообразия. В искривленном пространстве нет прямых линий, а свойства геометрических фигур другие, чем на плоскости. Прямая заменена здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. Риман высказал новое понимание бесконечности пространства: пространство нужно признать неограниченным; однако если оно может иметь положительную постоянную кривизну, то оно уже не бесконечно, подобно тому как поверхность сферы хотя и не ограничена, но тем не менее ее размеры не являются бесконечными. Так зарождалось представление о разграничении бесконечности и безграничности пространства (и времени).


С точки зрения Римана, вопрос о том, является ли геометрия нашего физического пространства евклидовой, что соответствует его нулевой кривизне, или эта кривизна не равна нулю, должен решить эксперимент. При этом он допускает, что свойства пространства должны зависеть от материальных тел и процессов, которые в нем происходят. Риман вообще ориентировался на тесную связь геометрии физики. Так, в частности, дал приложение своей теории к задаче распространения тепла в анизотропном теле.


Такие приложения стали более разнообразными после создания на рубеже XIX—XX вв. итальянскими математиками Р. Риччи-Курбастро и Т. Леви-Чивита тензорного исчисления. Оно оказалось наиболее удачным аналитическим аппаратом для разработки римановой геометрии, в частности ее приложений к изучению свойств различных анизотропных тел. Но подлинным триумфом стало применение его теории в создании общей теории относительности.


Идеи неевклидовых геометрий первое время имели весьма мало сторонников, так как противоречили «здравому смыслу» и устоявшимся в течение многих веков воззрениям. Обоснование реальности таких геометрий состояло в поиске таких объектов, в которых воплотились бы положения неевклидовых геометрий. Перелом наступил только во второй половине XIX в. Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовых геометрий были развеяны в работах итальянского математика Э. Бельтрами, который показал, что на поверхностях постоянной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется именно неевклидова геометрия Лобачевского. Интерес к работам Лобачевского и Римана вновь ожил и вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и оснований геометрии.


237


Здесь следует упомянуть «Эрлангенскую программу Ф. Клейна» (1872), которая вплоть до настоящего времени является руководящей не только для построения новых систем геометрии, но и для теоретической физики. По Ф. Клейну, для построения некоторой геометрии необходимо задать: определенное многообразие элементов; группу преобразований, дающую возможность отображать элементы заданного многообразия друг на друга. А соответствующая геометрия должна изучать те отношения элементов, которые инвариантны при всех преобразованиях данной группы. С этих позиций геометрические теории могут быть типологизированы следующим образом: геометрия Евклида, изучающая инварианты перемещений; аффинная геометрия; проективная геометрия (геометрия Лобачевского трактуется как часть проективной геометрии); конформная геометрия; а также топология (геометрия групп непрерывных преобразований, т.е. таких, при которых сохраняется бесконечная близость точек), играющая большую роль в современной космологии, квантовой теории гравитации и др.


Развитие теории неевклидовых пространств привело в свою очередь к задаче построения механики в таких пространствах: не противоречат ли неевклидовы геометрии принципам механики? Если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то, значит, реальное неевклидово пространство невозможно. Однако исследования показали, что механика в принципе может быть построена в неевклидовом пространстве.


И тем не менее появление неевклидовых геометрий, а затем неевклидовой механики, на первых порах не оказало влияния на физику. В классической физике пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели никакой необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве.


238


7.1.11. Методологические установки классической физики (конец XVII — начало XX в.). К середине XIX в. в основном завершилось становление системы методологических установок классической физики — того теоретико-методологического каркаса, в рамках которого получали свое обоснование и понимание основные понятия, категории, принципы и допущения классической теоретической физики. Смена этой системы установок происходит только в ходе научных революций.


К методологическим установкам классической физики относятся следующие представления.


+ Важнейшей исходной предпосылкой классической физики (как и всей науки) является признание объективного существования (до и независимо от человека и его сознания) физического мира (совокупности устойчивых явлений, вещей, процессов, расположенных в определенном порядке в пространственно-временном континууме).


+ Каждая вещь, находясь в определенном месте пространства, существует в определенный промежуток времени независимо (в пространственно-временном отношении) от других вещей. Хотя вещи и способны в принципе взаимодействовать друг с другом, это не приводит к существенному изменению структуры взаимодействующих тел, а если и приводит, то всегда можно уточнить характер происшедших изменений и ввести соответствующую поправку, восстановив тем самым идеальный образ первоначального состояния.


+ Лаппасовский детерминизм. Все элементы физического мира связаны между собой причинно-следственными связями таким образом, что, зная в определенный момент времени координаты каждого элемента, можно в принципе однозначно предсказать положение этого элемента через любой промежуток времени (см.: 7.2.4).


+ Материальный мир познаваем. На основе имеющихся познаваемых средств (теоретических и эмпирических) возможно в принципе объективно описать и объяснить все исследуемые физические явления.


+ Основой физического познания и критерием его истинности является эксперимент, ибо только в эксперименте исследователь через средства исследования непосредственно взаимодействует с объектом; при этом исследователь свободен в выборе условий проведения эксперимента.


239


+ В процессе исследования физический объект по существу остается неизменным, он не зависит от условий познания. Если же прибор и оказывает какое-либо воздействие на объект, то это воздействие всегда можно учесть, внеся соответствующую поправку. В процессе исследования всегда можно четко разграничить поведение объекта и поведение средств исследования, средств наблюдения, экспериментирования. Поэтому описание поведения объектов и описание поведения приборов осуществляются одинаковыми средствами научного языка.


+ Возможно обособление элементов физического мира: в принципе возможно экспериментальными средствами неограниченное (по отношению к атому) разложение физических объектов на множество независимых вещей и элементов.


+ Все свойства исследуемого объекта могут экспериментально определяться с помощью одной установки одновременно. Нет принципиальных препятствий для того, чтобы полученные таким путем данные могли быть объединены в одну картину объекта.


+ В принципе возможно получение абсолютно объективного знания, т.е. такого знания, которое не содержит ссылок на познающего субъекта (на условия познания). При этом основными критериями объективности считались:

а) отсутствие в содержании физического знания ссылок на субъект познания;

б) однозначное применение понятий и системы понятий для описания физических явлений;

в) наглядное моделирование — эквивалент объективности знания. О Данные о состоянии исследуемых явлений выражаются через величины, имеющие количественную меру. Через измеримые величины выражаются также и физические законы, которые должны быть сформулированы на языке математики (программа Галилея). При этом динамические закономерности поведения элементов физического мира исчерпывающим образом описываются системой дифференциальных уравнений (т.е. на континуальной основе). Физические системы, как правило, замкнуты, обратимы (направленность времени для них не важна) и линейны.