Концепции современного естествознания

системы современного научного знания так и ее отдельных областей, в том числе и физики.

К основным разделам теоретической физики относятся классическая механика, электродинамика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля. Существенное развитие получили следующие направления физических исследований: ядерная физика, физика фундаментальных частиц, физика плазмы, физика твердого тела, физика металлов, физика высоких энергий, физика высоких давлении, физика атмосферы и др. Фундаментальные теоретические разработки привели к радикальным технико-технологическим открытиям в сфере прикладной физики: ядерная энергетика, квантовая электроника, микроэлектроника, радиолокация.

Парадигмальные изменения в науке на рубеже ХIХ-ХХ вв. стали причиной коренной трансформации представлений об объективной реальности, соответствующих классическим воззрениям: во-первых наука выявила существование не только макро, но и микро; во-вторых, подтвердилось представление об относительности истины, являющейся только ступенью на пути познания все более фундаментальных свойств природы; в- третьих, оказалось, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи, типов взаимосвязей.

В естествознании получил распространение принцип физикализма. Физикализм – концепция, исходящая из того, что истинность положений любой науки определяется ее соответствием законам физики. В философском смысле этот феномен квалифицируется как редукционизм, т.е. сведение сложного к простому, высшего к низшему.

Для классического естествознания характерен механический редукционизм, т.е. сведение явлений и вещей природы к законам механики, что обусловливает формирование механистической картины мира. Естествознанию неклассического типа присущ физический редукционизм, т.е. абсолютизирование философско-методологических и естественнонаучных возможностей физики, что обусловливает формирование физикалистской (физической) картины мира, стремящейся представить объективную реальность на основе открытий современной физики.

С одной стороны, физико-математическая интерпретация научной картины мира удовлетворяет наиболее высоким требованиям относительно строгости и точности выражения взаимосвязей между явлениями и вещами природы. Более того, физико-математические методы исследования объективной реальности активно используются другими науками (химией, биологией, геологией и др.), что способствует их динамике, поэтому физика занимает статус единичного «лидера» современного естествозна-

121

ния.

Современная физика содержит небольшое число физических теорий, охватывающих все разделы физики. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи.

3.2. Исторические этапы развития физики

Часто говорят, что цель физики состоит в объяснении законов природы или по крайней мере неодушевленной природы. Но что значит объяснить? Это значит установить несколько простых принципов, которые позволяют описать свойства того, что должно быть объяснено.

Е. Вигнер

…Если размышлять об опытных данных современной физики, то легко прийти к выводу, что всегда должна быть принципиальная дополнительность между размышлением и решением.

В. Гейзенберг

Как бы велики ни были трудности, сопряженные с открытием новых истин при изучении природы, еще большие трудности стоят на пути их признания. Трудности эти, зависящие от разных причин, в сущности, скорее полезны, чем вредны для общего состояния науки…лучше, чтобы истина, раз понятая, была обречена на долгую борьбу, чем чтобы все, что порождается пылким воображением человека, легковерно воспринималось.

Жан Батист Ламарк

Физики – не революционеры, скорее, они консервативны, и только вынуждающие обстоятельства побуждают их жертвовать хорошо обоснованными представлениями.

М. Борн

Физические явления издавна привлекали внимание людей. В 6 в. до н. э. – 2 в. н. э. впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит; Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма. Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью, что

122

надолго затормозило развитие науки.

AD NOTANDA (лат.) – следует заметить

Оказывается, уже в Древней Руси существовала физическая литература. В форме, конечно, для нас непривычной и неожиданной. С принятием на Руси Христианства, сюда проникает и теоретическое обоснование его. Русские узнали о Христианстве из труда богослова, философа и поэта Ионна Дамаскина «Точное изложение православной веры». В его отдельных главах, носивших многозначительные названия «Диалектика», «Философические главы» излагалась «Физика» Аристотеля, рассматривались основные понятия: движение, рост, перемена…Из «Хроники» Георгия Амартола на Руси было известно и об атомах; они есть «непресикома и неразделна телеса», «иже пресекование и разделение приятии не могут» «Шестоднев» Иона, Экзарха Боморского, сообщает о первоэлементах мира с определенным набором свойств. Литература, прямо или косвенно касающаяся вопросов науки, пришла на Русь в переводах с ви-

зантийских и болгарских оригиналов. Популярны были прежде всего «Пчелы» – сборники избранных изречений из Аристотеля, Сократа, Фукидида, Платона, в концентрированном виде доносившие до русского читателя классические мысли и мудрость древних мыслителей. Свежие мысли античных мудрецов за долгие века русского средневековья точно так же, как и аристотелевские доктрины в Европе, превратились в железные путы для развития науки. Повторяясь из книги в книгу, из рукописи в рукопись, эти идеи, искажаясь и обволакиваясь теологическими наслоениями, постепенно теряли ясность и превращались в туманные, ничего не значащие фразы, звучащие как заклинания. Естественнонаучная литература западного происхождения в русском переводе церковью запрещалась. Авторов книг, содержащих научное знание, причислили к волхвам, зелейщикам, обаянникам, кудесникам, сновидцам, звездочетам, облакопрогонщикам, ведунам, ведуньям, ворожеям. По каким книгам учили в России в те далекие времена? По-видемому, самым первым российским учебником физики нужно признать «Арифметику, сиречь науку числительную» Л.Ф. Магницкого по которой, как считают некоторые, учился М.В. Ломоносов. Это энциклопедия не только математического, но и

физического значения. Механике была посвящена книга Г.Ф. Крафта «Краткое начертание открытого происхождения опытной физики, преподаваемой в Академии наук, в пользу её любителей», изданная в СанктПетербурге в 1738 году. Учебник Крафта – это небольшая по объему книга, в которой должным образом отражены взгляды Ньютона, вихревая гипотеза Декарта, рассмотрены физические свойства тел, атоми-

123

стическая гипотеза, вопросы трения, называемая автором «препонами движению».

Развитие физики как науки в современном смысле этого слова началось в 17 в. и связано в первую очередь с именем итальянского учёного Г. Галилея, который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в учении Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение – первая формулировка закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике, доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника и получил значительные результаты в астрономии, в изучении оптических, тепловых, и др. явлений.

Основное достижение физики 17 в. – создание классической механики; И. Ньютон в труде «Математические начала натуральной философии» (1687) сформулировал все основные законы этой науки. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы. Фундаментальное значение имело введение Ньютоном понятия состояния, которое стало одним из основных для всех физических теорий.

Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, с помощью которого удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы и отливы в океане. Им были впервые чётко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели изменений. В это же время голландский учёный X. Гюйгенс и немецкий учёный Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником. Началось развитие физической акустики.

В работах Л. Эйлера и др. учёных была разработана динамика абсолютно твердого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твердого тела шло развитие механики жидкости и газа. Трудами швейцарского учёного Д. Бернулли, Эйлера, французского учёного Ж. Лагранжа и др. в 1-й пол. 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным процессам. Была создана единая механическая картина мира, согласно которой всё богатство и многообразие мира – результат различия движения частиц

124

(атомов), слагающих тела, движения, подчиняющегося законам Ньютона. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его удавалось свести к действию законов механики.

Вдругих областях физики происходило накопление опытных данных,

иформулировались простейшие экспериментальные законы. Английский ученый Г. Кавендиш и независимо французский физик Ш. Кулон открыли основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия не-

подвижных электрических зарядов. Трудами французского ученого П. Бугера и немецкого ученого И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Было открыто инфракрасное (английские ученые В. Гершель и У. Волластон) и ультрафиолетовое (немецкий ученый И. Риттер, Волластон) излучения.

Трудами М.В. Ломоносова, Бойля, английского физика Р. Гука, Бернулли и др. были заложены основы молекулярно-кинетической теории теплоты.

Большое значение для развития физики имело открытие итальянскими учеными Л. Гальвани и А. Вольтой электрического тока и создание гальванических батарей. Было исследовано химическое действие тока (английские ученые Г. Дэви, М. Фарадей), получена электрическая дуга (В.В. Петров). Открытие датским физиком Х.К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электрическими и магнитными явлениями. В том же году французский физик А.М. Ампер пришел к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током, и экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Ранее Фарадей высказывал гипотезу, согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля. Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.

К 1-й пол. 19 в. были накоплены фактические данные о макроскопических свойствах твердых тел и установлены эмпирические законы поведения твердого тела под влиянием механических сил, температуры, электрических и магнитных полей, света и др. Исследование упругих свойств привело к открытию закона Гука (1660), электропроводности металлов – к установлению закона Ома (1826), тепловых свойств – закона теплоёмкостей (Дюлонга и Пти закона). Были открыты основные магнитные свойства твердых тел, построена общая теория упругих свойств твердых тел (французские учёные Л.М. Навье, О.Л. Коши).

Важнейшее значение для физики и всего естествознания имело откры-

125

тие (немецкие учёные Ю.Р. Майор, Г. Гельмгольц, английский физик Дж. Джоуль) закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и таким образом установлено, что теплота представляет собой особую форму энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики) и получил название первого начала термодинамики.

Фундаментальный закон теории теплоты – второе начало термодинамики – был сформулирован немецким физиком Р. Клаузиусом в 1850 г. (на основе результатов, полученных французским учёным С. Карно в 1824 г.) и английским физиком У. Томсоном в 1851 г. Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических превращений. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования французского учёного Ж.Л. Гей-Люссака, на основе которых французским физиком Б. Клапейроном было установлено уравнение состояния идеальных газов, обобщённое в дальнейшем Д.И. Менделеевым.

Одновременно с развитием термодинамики развивалась и молеку- лярно-кинетическая теория тепловых процессов; были открыты физические законы нового типа – статистические, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер. В 1859 году английский физик Дж. Максвелл, впервые введя в физику понятие вероятности, нашёл закон распределения молекул по скоростям. Возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились, что привело в дальнейшем к созданию статистической механики. Австрийский физик Л. Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики.

Классическая статистическая механика была завершена в работах американского физика Дж.У. Гиббса (1902 г.), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем в состоянии термодинамического равновесия.

Во 2-й пол. 19 в. процесс изучения электромагнитных явлений завершился созданием Максвеллом классической электродинамики. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В 1899 году П.Н. Лебедев экспериментально обнаружил и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла. В 1895 году А.С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи. В 1859 году трудами немецких учёных Г. Кирхгофа и Р. Бунзена заложены основы спектрального анализа.

Новый этап в развитии физики связан с открытием английским физи-

126

ком Дж. Томсоном в 1897 году электрона.

В 1905 году Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и французского ученого А. Пуанкаре. Частная теория относительности показала, что свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде (эфире) невозможно. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики. В 1916 году Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19 – 20 вв. было положено начало величайшей революции в области физики, связанной с возникновением и развитием квантовой теории. «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также изменяется только скачкообразно (датский физик Н. Бор, 1913 г.). К этому времени английский физик Резерфорд исследовал рассеяние α-частиц веществом и на основе результатов эксперимента установил существование атомного ядра и построил планетарную модель атома. Планетарная модель атома в рамках классической физики приводила к неустойчивости атомов, а их линейчатые спектры оставались необъяснимы. Для решения этой проблемы Бор постулировал существование в атомах стационарных состояний, находясь, в которых электрон не излучает. При переходе из одного такого состояния в другое он может испускать или поглощать энергию. Дискретность энергии атома была подтверждена экспериментально. Бор построил для атома водорода количественную теорию спектров, согласующуюся с опытом.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, окончательно сформировалось в начале 20 века. В 1890-91годах Е.С. Федоров заложил основы теории кристаллографии. В 1912 г. немецкий физик М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристалле и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу (Г.В. Вульф и английские физики У.Л. Брэгг и У.Г. Брэгг). В 1907-14 гг. была разработана динамическая теория кристаллизации решеток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 году Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоемкости твердых тел при понижении температуры. Динамическая теория кристаллизации решетки как совокупности

127

гармонических осцилляторов различной частоты была построена голландским физиком П. Дебаем (1912 г.), немецким физиком М. Борном и американским ученым Т. Карманом (1913 г.), австрийским физиком Э. Шредингером (1914 г.) в форме, близкой к современной. Новый этап развития физики твердого тела начался после создания квантовой механики. Классические законы оказались справедливы лишь при рассмотрении тел достаточно большой массы, для которых величина действия велика по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В20-е годы 20 века была создана квантовая, или волновая, механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства микроскопических тел и происходящие в них явления. В основу ее легли идея квантования Планка-Эйнштейна-Бора и выдвинутая в 1923 году французским физиком Л. де Бройлем гипотеза о двойственной корпуску- лярно-волновой природе любых видов материи. В 1926 году Шредингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (Германия, 1925 г.) построили квантовую механику в другой форме – так называемую матричную механику. Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией, эволюция которой определяется уравнением Шредингера. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926 г.): квадрат ее модуля есть плотность вероятности обнаружения частицы в данный момент времени в определенной точке пространства. Параллельно с квантовой механикой развивалась квантовая статистика – квантовая теория поведения физических систем состоящих из огромного числа микрочастиц.

В1928 году Я.И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие; в 1932-1933 гг. французский физик Л. Неель и независимо Л.Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости Камерланг-Оннесом (1911 г.) и сверхтекучести Н.Л. Капицей (1938 г.) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменологическая теория сверхтекучести была построена Ландау (1941 г.); дальнейшим шагом явилась феноменологическая теория сверхпроводимости Ландау и В.Л. Гинзбурга (1950 г.) [21].

На основе квантовой теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном в 1917 году, в 50-х гг. возникла новая область радиофизики

–квантовая электроника. Н. Г. Басовым и А.М. Прохоровым осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью построенного ими мазера. В 60-х годах был создан квантовый генератор света – ла-

128

зер.

Во 2-й четверти 20 века происходило дальнейшее революционное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра и происходящих в нем процессов, а также с созданием физики фундаментальных частиц. Открытие нейтрона в 1932 году английским физиком Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д.Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 г. французские физики И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность. После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение фундаментальных частиц их свойств и взаимодействий. Было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых фундаментальных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы. Обнаружена универсальная взаимопревращаемость фундаментальных частиц.

Создание квантовой теории поля (КТП) – закономерный этап в развитии физической теории – распространила квантовые принципы на системы с бесконечным числом степеней свободы. Первоначально КТП была подстроена применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика, 1929г.). Взаимодействие между заряженными частицами, согласно этой теории, осуществляется путем обмена фотонами.

Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза о том, что взаимодействие между нуклонами (протонами, нейтронам) возникает вследствие обмена мезонами. Короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя.

Существенная черта современной экспериментальной физики – неизмеримо возросшая роль измерительной и вычислительной техники. Современные экспериментальные исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии, квантовой электроники и физики твердого тела обычно ведутся на больших установках и требуют значительных материальных затрат. Огромную роль в развитии ядерной физики и физики элементарных частиц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отдельных актов превращения элементарных частиц и создания ускорителей элементарных частиц, положившее начало развитию физики высоких энергий.

Исследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных космических лучей (протонов, более тяжелых ядер и электронов). Ими оказались вспышки сверхновых звезд. Было открыто реликтовое излучение, существование которого вытекало из модели горячей Вселенной. В 1967 году открыты пульсары – быстро вращающиеся

129

звезды. Пульсары создают направленное излучение в радио, видимом и рентгентовом диапазонах. Интенсивность этого излучения периодически меняется за доли секунды из-за вращения звезд.

Развитие традиционных направлений физики твердого тела привело к неожиданным открытиям новых физических явлений и материалов с существенно новыми свойствами.

Успехи физики полупроводников совершили переворот в технике и радиотехнике. С заменой электровакуумных ламп полупроводниковыми приборами повысилась надежность радиотехнических устройств и ЭВМ, существенно уменьшилась потребляемая ими мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (площадью в десятки мм2) кристалле тысячи и более электронных элементов. Небольшие ЭВМ изготавливаются на одном кристалле.

Большое значение, как для самой науки, так и для практического применения имеют результаты, полученные при исследовании вещества в экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких температурах, сверхвысоких давлениях или глубоком вакууме, сверхсильных магнитных полях и т. д.

3.3. Строение атомного ядра и радиоактивность

Теория не является самоцелью науки, она занимается реальными, а не вымышленными проблемами. С точки зрения физика, больше напоминает дипломатию, чем твердые убеждения.

Дж. Дж. Томсон

Всё, что видим мы, – видимость только одна. Далеко от поверхности мира до дна. Полагай несущественным явное в мире, ибо тайная сущность вещей не видна.

О.Хайям

Согласно протонно-нейтронной теории, выдвинутой советскими учеными Д.И. Иваненко и Е.Н. Гапоном, а также немецким ученым В. Гейзенбергом, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами.

Протон (p) – это фундаментальная частица, имеющая массу 1,672·10–27 кг и положительный заряд, равный 1,602·10–19 Кулона. Он в 1836 раз тяжелее электрона. Нейтрон (n) – незаряженная частица, обладающая массой 1,674·10–27кг. Протон состоит из двух u-кварков с зарядом Q = +2/3 и одного d-кварка Q = -1/3,связанных глюонным полем. Он имеет конечные размеры порядка 10–13 см, хотя его нельзя представить как твердый шарик, скорее он напоминает облако с размытой границей, состоящее из рож-

130