Концепции современного естествознания

Тема 5. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА (ЕНКМ)

Естественнонаучная картина мира это обобщённая система представлений о мире в целом, которые вырабатываются в результате синтеза знаний, полученных в различных областях научных исследований, это обобщённый взгляд на мир в целом, на взаимосвязанные и самодвижущиеся элементы в нём. Естественнонаучная картина мира

призвана объяснить всё многообразие явлений окружающего мира на основе небольшого количества фундаментальных научных принципов

(законов). Концепции, лежащие в основе научной картины мира, являются ответами на основополагающие вопросы о мире: о материи, о движении, о пространстве и времени, о взаимодействии, о причинности и закономерности, о космологических представлениях. Эти вопросы с течением времени уточняются, изменяются, однако сам «вопросник» остаётся практически неизменным по крайней мере от древности до наших дней. ЕНКМ является одним из важных компонентов мировоззрения.

Картина мира всё время меняется, она претерпела огромные изменения, пройдя путь от мифологической (основанной на эмпирических наблюдениях и выдумке) до античной (16-17в.в.). Это были преднаучные картины мира. Затем наступает период становления классического естествознания, который привёл к возникновению механистической и электромагнитной картин мира. Механистическая картина мира, созданная на основе трудов Галилея, Ньютона, Кеплера опиралась на представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, которые не связаны между собой и с материей..Сама материя в механической картине мира представляла абстракцию дискретной неделимой частицы – материальную точку; в электромагнитной картине мира появилось представление о физическом поле, непрерывном в пространстве и тем самым принципиально отличающимся от вещества.

Основу механической картины мира составляет идея атомизма и всепроникающего эфира. Наиболее важные результаты механики Ньютона были получены на основе концепции дальнодействия. Мир представлялся стройной гигантской машиной, построенной и функционирующей по законам механики., где действуют строгие причинно-следственные зависимости. Научный успех механической картины мира определялся точно сформулированными и облачёнными в математическую форму законами динамики материальной точки. Считалось, что микромир по своим законам, аналогичен макромиру, а отличается только масштабностью.

Формирование механической картины мира завершилось к середине 19 века. В 20-е годы 19 века наблюдался всплеск исследований в области электромагнетизма. Работы Эрстеда, Фарадея привели к пониманию того, что материя в природе существует не только в форме вещества, но и в форме поля. Электромагнитная картина мира основывалась на законах

42

электродинамики Максвелла, но так же, как и механическая картина мира, была метафизичной, т.е. лишённой внутренних противоречий.

Открытия в естествознании 20 века, связанные с пересмотром основополагающих представлений о соотношении случайного и закономерного, усиливающаяся дифференциация научного знания, привели к формированию неклассической картины мира, где согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма все поля квантуются, т.е. исчезла непреодолимая граница между полем и веществом. К концу 20 века созревают необходимые условия и предпосылки для формирования общенаучной картины мира как целостной системы научных представлений о природе, человеке и обществе и возникает постнеклассическая (неоклассическая) эволюционная картина мира. Это современная естественнонаучная картина мира.

5.1 ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Предметом современного естествознания становится изучение взаимодействий, а не отдельных разрозненных объектов природы. Для современной науки характерен отказ от представлений реального мира простой и ясной сущностью; необходимым и важнейшим компонентом этого мира становится человек-наблюдатель, от присутствия которого зависит наблюдаемая картина мира. Это означает, что в современную ЕНКМ вошёл антропный принцип. Если предыдущая картина мира была по существу физической, то теперь она дополняется важнейшими концепциями и принципами гуманитарных, общественных наук. Сейчас осознаётся значение науки не только для практической деятельности, но и для духовной жизни, для формирования современного мировоззрения.

Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно сложна и одновременно проста. Её сложность проявляется в том, что она может поставить в тупик человека, мыслящего классическими представлениями с их наглядной интерпретацией. С такой точки зрения, многие современные представления выглядят абсурдными, безумными. В то же время современное естествознание показывает, что в природе реализуется всё, что не запрещено её законами, каким бы безумным и невероятным это ни казалось. Простота и стройность современной ЕНКМ обусловлена тем, что для её понимания требуется не так много принципов и гипотез. Эти качества придают ей такие принципы, как системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация и историчность.

Системность связана с представлением о том, что объекты природы и общества состоят из огромного множества подсистем со своей иерархичностью и субординацией. Эффект системности состоит в появлении

43

у системы новых свойств, которые возникают благодаря взаимодействию её элементов между собой.

Глобальный эволюционизм означает, что Вселенная, и всё, что в ней существует, постоянно развивается, эволюционирует.

Самоорганизация - это способность материи к самоусложнению и созданию всё более упорядоченных структур.

Историчность заключается в принципиальной незавершённости настоящей научной картины мира. Не исключено, что пройдёт какое-то время и под влиянием новых научных открытий могут измениться даже фундаментальные представления современной ЕНКМ.

Приходит осознание того, что мир является нелинейным. Все глобальные процессы – экономические, демографические, экологические – описываются нелинейными законами.

5.2СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Сточки зрения современной науки окружающий нас мир представляет движущуюся в пространстве и во времени материю

Условно весь мир подразделяется на три структурные области, имеющие свои протяжённости, свои типы взаимодействий. Это мегамир, макромир и микромир. Мегамир включает в себя Вселенную, галактики и

их скопления, звёзды, планеты и характеризуется практически неограниченными масштабами. Здесь преобладающим является гравитационное взаимодействие, поэтому существенную роль играют законы общей теории относительности. К макромиру относятся тела по своим масштабам более или менее соизмеримые с размером человеческого тела, которые доступны нашему непосредственному восприятию. Поведение макроскопических объектов описывается классической физикой (классической механикой и электродинамикой). Микромир соответствует пространственным масштабам размера атома и меньше. Этот мир также недоступен нашему непосредственному восприятию, а процессы микромира

макрочастицы, только меньшего масштаба. Оказалось, что микрочастицы обладают особыми свойствами (которые будут рассмотрены ниже) и их поведение не подчиняется законам классической физики.

Казалось, что «микро» и «макро» - это две противоположные ветви познания, между которыми мало общего. Но теперь «круг» замыкается, противоположности сходятся. Дело в том, что некоторые разделы физики микромира в своих исследованиях приближаются к пределу земных возможностей. Чем глубже учёные проникают в тайны природы, тем сложнее становятся научные эксперименты. Но оказывается, крупномасштабная структура сегодняшней Вселенной зависит от свойств элементарных частиц,

44

которые «жили» в первые мгновения «Большого Взрыва». Следовательно, «лаборатория» для проверки теорий элементарных частиц существовала в начальной фазе эволюции нашей Вселенной. Очевидно, что научные интересы физиков-атомщиков совпадают с интересами специалистов, изучающих мегамир.

5.3 КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ СВЕТА

Важной вехой в развитии естествознания была эволюция представлений о природе света. Первая гипотеза о природе света принадлежала выдающемуся механику и оптику И.Ньютону, который считал, что свет - это поток светящихся частиц - корпускул. Исходя из таких представлений, хорошо объяснялись такие явления, как прямолинейное распространение света в однородной среде, отражение и преломление света. Однако такие явления, как интерференция ( при наложении световых пучков может происходить не только усиление, но и ослабление интенсивности света) и дифракция (огибание светом преграды, размеры которой соизмеримы с длиной волны) не поддавались объяснению, исходя из корпускулярных представлений. Современник Ньютона голландский физик Х.Гюйгенс выдвинул другую гипотезу: свет - это волна, т.е. является распространяющимся в среде колебанием. Природа этих волн была неясной, но волновые представления хорошо объясняли и прямолинейное распространение света, и отражение, и преломление, и интерференцию, и дифракцию. Создалось впечатление, что модель Гюйгенса более правильная, чем модель Ньютона.

В 1865 году английский физик Максвелл - создатель теории электромагнитного поля - пришёл к выводу, что электромагнитное поле в вакууме распространяется со скоростью 300 000 км/с. Известно, что эта величина соответствует скорости света в вакууме. Таким образом было установлено, что световые волны имеют электромагнитную природу.

Создалось впечатление, что модель Гюйгенса более правильная, чем модель Ньютона. Однако в 1900 году Нобелевский лауреат немецкий физик Макс Планк, рассматривая теорию теплового излучения, предположил, что атомы излучают энергию лишь определёнными порциями – квантами, причём

получила название формулы Планка для энергии кванта света (фотона).

Здесь h – одна из фундаментальных физических констант, называемая постоянной Планка ( квант действия). h =6,62 · 10-34 Дж с.

В 1887 году русский физик А.Г.Столетов открыл явление, которое никак не вписывалось уже в волновую теорию света: внешний фотоэффект, заключающийся в выбивании светом электронов с поверхности металла. Объяснение этому явлению в 1905 году дал Эйнштейн ( за что был удостоен Нобелевской премии). Теория фотоэффекта Эйнштейна была связана с

45

предположением, что свет при взаимодействии с веществом ведёт себя как

совокупность частиц (фотонов, квантов). Масса покоя фотона равна нулю,

а существовать он может только в движении со скоростью света.

Макс Планк Таким образом, было установлено, что свет обладает и

корпускулярными, и волновыми свойствами – в этом суть корпускулярноволнового дуализма света, но проявляет либо те, либо другие в зависимости от ситуации. Необходимо отметить ещё и квантовые свойства света. Наука установила, что корпускулярно-волновым дуализмом обладает не только свет. ( В этом мы убедимся при рассмотрении последующего материала).

5.4КОНЦЕПЦИИ МИКРОМИРА

Квантовая физика по существу является итогом всей научной революции 20-го века. Эта научная теория произвела переоценку роли динамических и статистических закономерностей в пользу статистических, изменила характер физических моделей, переосмыслила роль исследователя в изучаемом им мире, привела к отказу от многих привычных понятий и представлений. Великий русский учёный Л.Ландау писал: «Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не может вообразить». Это относится в первую очередь к квантовой механике, которая описывает процессы микромира,

лежащие за пределами чувственных восприятий, которые лишены наглядности, присущей классической физике.

Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной естественнонаучной картины мира, Она позволила объяснить и предсказать огромное число различных явлений как в микромире, так и в мегамире. Без неё невозможно понять происхождение Вселенной. Квантовомеханические эффекты лежат в основе современной техники.

Квантовая физика состоит из многих разделов, которые по существу выделились в самостоятельные науки: квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая оптика, квантовая теория поля (соединяет в себе идеи квантовой механики и теории относительности), квантовая хромодинамика (изучает кварковую структуру элементарных частиц).

46

Квантовая физика положила начало современной квантовой химии, квантовой биологии, квантовой медицине; она служит теоретической базой материаловедения, электроники, атомной энергетики, лазерной техники – разделов, которые определяют современный научно-технический прогресс.

5.4.1Основные идеи и принципы квантовой механики

1)Квантование и дискретность

Квантование от слова квант (порция) означает, что некоторые физические величины, описывающие микрообъект, в определённых условиях могут принимать только определённые значения, которые образуют дискретный (прерывный) ряд значений. Квантуется энергия любого микрообъекта, помещённого в ограниченное пространство, например, энергия электрона в атоме, в то время, как энергия свободно движущегося электрона не квантуется. Квантование энергии означает, что электрон в атоме может иметь лишь некоторый дискретный набор её значений. Каждое значение энергии называют энергетическим уровнем или стационарным состоянием. В стационарном состоянии атом не излучает. Излучение (так же, как и поглощение) возникает при переходе из одного стационарного (квантового) состояния в другое, причём переходы эти происходят скачками. Этим и объясняются линейчатые спектры атомов.

Квантование и дискретность есть главная особенность явлений,

происходящих в микромире.

2) Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц

В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал смелую гипотезу о том, что электрон подобен фотону, т.е. обладает не только корпускулярными свойствами (свойствами частицы), но и свойствами волны. Вскоре эта гипотеза была блестяще подтверждена экспериментально – К.Девиссон, Л.Джермер, У.Томпсон. Пропуская пучок электронов через кристаллическую решётку мишени, обнаружили дифракционное распределение максимумов и минимумов, подобных тем, что наблюдаются при дифракции света. Позже волновые свойства были обнаружены и у других микрочастиц, у атомов и отдельных молекул. Место для формулы.

L = ,

Здесь h - постоянная Планка, m - масса микрочастицы, v - скорость её движения.

Длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе частицы, поэтому чем больше масса микрообъекта, тем меньше эта длина волны. Для классической частицы (макрочастицы) числовое значение этой длины волны пренебрежимо мало. По своей природе волны де Бройля не являются ни упругими, ни электромагнитными, это волны вероятности.

Таким образом, не только свету присуща двойственная корпускулярноволновая природа, но и микрочастицы могут проявлять как волновые

47

свойства, так и свойства частиц. Это свойство вошло в науку как корпускулярно-волновой дуализм материи. Каждой частице материи присущи и свойства волны (в этом проявляется непрерывность), и свойства корпускулы ( в этом проявляется дискретность, т.е.способность образовывать кванты).

3)Соотношение неопределённостей и принцип дополнительности

Соотношение неопределённостей Гейзенберга устанавливает степень пригодности к микрочастице тех понятий и величин, которые, строго говоря, ей несвойственны. Например, состояние классической частицы (макрочастицы) определяется заданием её координат и импульса. Однако, когда говорят о движении микрочастицы, то с ней связан также некоторый волновой процесс и описание её движения несовместимо с представлением об определённых траекториях. Немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённостей, который математически

записывается в виде: X P 2h

Здесь Х - неопределённость координаты, Р - неопределённость импульса. Смысл этого соотношения в том, что у микрочастицы невозможно одновременно точно определить её координату и импульс (или скорость). Это соотношение свидетельствует не о непознаваемости микромира (он познаваем!) – это соотношение является результатом двойственной природы микрочастиц ( и частица, и волна).

В.Гейзенберг Соотношение неопределённостей для координаты и импульса –

частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 году. Формулировка принципа дополнительности такова: Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. В зависимости от способа наблюдения электрон, например, проявляет себя либо как волна, либо как частица, но одновременно эти свойства не проявляются.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую,

48

а лишь явления, включающие результат взаимодействия прибора с микрообъектом.

В квантовой механике состояние микрочастицы описывается с помощью волновой функции, которая сама является функцией координат и времени. Находят волновую функцию из уравнения Шредингера, которое в квантовой физике играет такую же роль, как законы Ньютона в классической физике. Волновая функция описывает не волны материи, а волны вероятности. Квадрат амплитуды волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определённом ограниченном объёме. Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрообъектам элементы случайного в их поведении. Таким образом, предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, а физика микрообъектов – принципиально статистическая теория.

Соотношение неопределённостей для координаты и импульса – частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 году. Формулировка принципа дополнительности такова: Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. В зависимости от способа наблюдения электрон, например, проявляет себя либо как волна, либо как частица, но одновременно эти свойства не проявляются.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь явления, включающие результат взаимодействия прибора с микрообъектом.

5.4.2 Эволюция представлений о строении атома.

Представления о том, что все вещества состоят из атомов пришли к нам из древности и дошли до наших дней. Древнегреческие и римские мыслители (в первую очередь, Демокрит, Эпикур )считали атом последней неделимой частицей – «первокирпичиком» материи. Такое представление об атомах существовало на протяжении веков, и только в конце 19 века изучение свойств катодных лучей и явления радиоактивности привело к выводу о том, что атом имеет сложное строение. Так как же устроен атом ? На этот вопрос искали ответ много разных учёных, но наиболее точная информация о строении атома была получена английским физиком Э.Резерфордом после проведённых им опытов по рассеянию альфачастиц при прохождении ими через тонкую фольгу. Результаты опытов привели к созданию так называемой планетарной модели атома: вокруг положительного ядра, имеющего заряд Zе ( Z –порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е – элементарный заряд, е=1,6 · 10-19 Кл ) по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя отрицательную электронную

49

оболочку. Атом в целом электрически нейтрален, т.к. положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронной оболочки. Размер атома – около 10-10 м. (Эта модель напоминает нашу планетную систему, в центре которой находится Солнце, а вокруг него обращаются планеты.) Однако, с точки зрения классической физики, такая модель была несостоятельной – она не могла объяснить устойчивость атомов и происхождение их линейчатых спектров . Возникшие трудности требовали создания новой теории.

Первую попытку в создании такой теории предпринял в 1913 году датский физик Нильс Бор. Из постулатов, получивших его имя, следовало, что в атоме такие характеристики электрона, как энергия, импульс, скорость движения по орбите, радиус орбиты принимают не любые значения, а только вполне определённые – они квантуются, образуя дискретный ряд значений. Излучение и поглощение Бор связал с квантовыми переходами атома из одного состояния в другое. Его теория блестяще объяснила происхождение линейчатых спектров атомов водорода. Но построить подобную теорию для более сложных атомов Бору не удалось. Бор по существу «перебросил мостик» из классической физики в физику квантовую, которой в тот момент ещё не было. В настоящее время теория Бора представляет для нас исторический интерес, она явилась начальным этапом в построении квантово-механической модели атома.

Состояние электронов в атоме определяется с помощью квантовых чисел: главного квантового числа n, орбитального l, магнитного m и спинового s. Выше были рассмотрены основные квантово-механические принципы, с учётом которых электрон обладает ещё и волновыми свойствами – следовательно, его нельзя представлять только как частицу, обращающуюся вокруг ядра атома. С учётом соотношения неопределённостей Гейзенберга, неправомерно говорить и об орбите электрона. С современной точки зрения, заряд электрона как бы размазан с различной плотностью в атоме и образует так называемое электронное облако, форма которого зависит от состояния электрона (см. рисунок). Размеры электронного облака увеличиваются с ростом главного квантового числа n пропорционально квадрату этого числа. Электронная плотность облака характеризуется вероятностью обнаружить электрон в данной точке пространства. Орбита представляет собой геометрическое место точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон.

50