- •Концепции современного естествознания
- •I оглавление
- •Раздел I. Научный метод 7
- •Раздел II. История естествознания 42
- •Раздел III. Элементы современной физики 120
- •Раздел IV. Основные понятия и представления химии 246
- •Раздел V.. Возникновение и эволюция жизни 266
- •Раздел VI. Человек 307
- •I введение
- •Раздел I научный метод
- •1 .1. Научное наблюдение
- •1.2. Эксперимент
- •1.3. Измерение
- •2. Общенаучные методы теоретического познания
- •2 .1. Абстрагирование и идеализация. Мысленный эксперимент
- •2.2. Формализация. Язык науки
- •2.3. Индукция и дедукция
- •3 .1. Анализ и синтез
- •3.2. Аналогия и моделирование
- •Раздел II
- •1.1. Натурфилософия и ее место в истории естествознания. Возникновение античной науки.
- •1.2. Миропонимание и научные достижения натурфилософии античности. Атомистика. Геоцентрическая космология. Развитие математики и механики
- •2. Естествознание эпохи средневековья
- •3 .1. Научные революции в истории естествознания
- •3.2. Первая научная революция. Гелиоцентрическая система мира. Учение о множественности миров
- •3.3. Вторая научная революция. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механическая картина мира
- •3.4. Химия в механистическом мире
- •3.5. Естествознание Нового времени и проблема философского метода
- •3.6. Третья научная революция. Диалектизация естествознания
- •3.7. Очищение естествознания
- •3.8. Исследования в области электромагнитного поля и начало крушения механистической картины мира
- •I Естествознание XX века
- •4 .1. Четвертая научная революция. Проникновение в глубь материи. Теория относительности и квантовая механика. Окончательное крушение механистической картины мира
- •4.2. Научно-техническая революция, ее естественнонаучная составляющая и исторические этапы
- •4.3. Панорама современного естествознания 4.3.1. Особенности развития науки в XX столетии
- •4.3.2. Физика микромира и мегамира. Атомная физика
- •4.3.3. Достижения в основных направлениях современной химии
- •4.3.4. Биология XX века: познание молекулярного уровня жизни. Предпосылки современной биологии.
- •4.3.5. Кибернетика и синергетика
- •Раздел III
- •I Пространство и время
- •1 .1. Развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период
- •1. 2. Пространство и время
- •1.3. Дальнедействиеи близкодействие. Развитие понятия «поля»
- •2 .1. Принцип относительности Галилея
- •2.2. Принцип наименьшего действия
- •2.3. Специальная теория относительности а. Эйнштейна
- •1. Принцип относительности: все законы природы оди наковы во всех инерциальных системах отсчета.
- •2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах от счета и не зависит от движения источников и приемни ков света.
- •2.4. Элементы общей теории относительности
- •3. Закон сохранения энергии в макроскопических процессах
- •3.1. «Живая сила»
- •3.2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
- •3.3. Внутренняя энергия
- •3.4. Взаимопревращения различных видов энергии друг в друга
- •4. Принцип возрастания энтропии
- •4.1. Идеальный цикл Карно
- •4.2. Понятие энтропии
- •4.3. Энтропия и вероятность
- •4.4. Порядок и хаос. Стрела времени
- •4.5. «Демон Максвелла»
- •4.6. Проблема тепловой смерти Вселенной. Флуктуационная гипотеза Больцмана
- •4.7. Синергетика. Рождение порядка из хаоса
- •I Элементы квантовой физики
- •5.1. Развитие взглядов на природу света. Формула Планка
- •5.2. Энергия, масса и импульс фотона
- •5.3. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества
- •5.4. Принцип неопределенности Гейзенберга
- •5.5. Принцип дополнительности Бора
- •5.6. Концепция целостности в квантовой физике. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
- •5.7. Волны вероятности. Уравнение Шредингера. Принцип причинности в квантовой механике
- •5.8. Состояния физической системы. Динамические и статистические закономерности в природе
- •5.9. Релятивистская квантовая физика. Мир античастиц. Квантовая теория поля
- •I На пути построения единой теории поля 6.1. Теорема Нетер и законы сохранения
- •6.2. Понятие симметрии
- •6.3. Калибровочные симметрии
- •6.4. Взаимодействия. Классификация элементарных частиц
- •6.5. На пути к единой теории поля. Идея спонтанного нарушения симметрии вакуума
- •6.6. Синергетическое видение эволюции Вселенной. Историзм физических объектов. Физический вакуум как исходная абстракция в физике
- •6.7. Антропный принцип. «Тонкая подстройка» Вселенной
- •Раздел IV
- •1. Химия в системе "общество-природа"
- •I Химические обозначения
- •Раздел V
- •I Теории возникновения жизни
- •1.1. Креационизм
- •1.2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение
- •1.3. Теория стационарного состояния
- •1.4. Теория панспермии
- •1.5. Биохимическая эволюция
- •2.1. Теория эволюции Ламарка
- •2.2. Дарвин, Уоллес и происхождение видов в результате естественного отбора
- •2.3. Современное представление об эволюции
- •3.1. Палеонтология
- •3.2. Географическое распространение
- •3.3. Классификация
- •3.4. Селекция растений и животных
- •3.5. Сравнительная анатомия
- •3.6. Адаптивная радиация
- •3.7. Сравнительная эмбриология
- •3.8. Сравнительная биохимия
- •3.9. Эволюция и генетика
- •Раздел VI. Человек
- •I Происхождение человека и цивилизации
- •1 .1. Возникновение человека
- •1.2. Проблема этногенеза
- •1.3. Культурогенез
- •1.4. Появление цивилизации
- •I Человек и биосфера
- •7 .1. Концепция в.И. Вернадского о биосфере и феномен человека
- •Радиоактивное вещество;
- •Рассеянные атомы;
- •Вещество космического происхождения.
- •7.2. Космические циклы
- •7.3. Цикличность эволюции. Человек как космическое существо
- •344007, Г. Ростов-на-Дону,
- •344019, Г. Ростов-на-Дону, ул. Советская, 57. Качество печати соответствует предоставленным диапозитивам.
1.3. Дальнедействиеи близкодействие. Развитие понятия «поля»
В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, и это взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обуславливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнедействия. Известно, что Декартом развивалась противоположная точка зрения на природу взаимодействий, согласно которой материя взаимодействует с материей лишь при непосредственном соприкосновении. Таким агентом, передающим взаимодействия от тела к телу, являются частички эфира. Эфир трактуется Декартом как тончайшая жидкость, безграничной протяженности, существующей повсюду, — как в порах тел, так и вне их, как подвижный, текучий, непрерывный. Последователем Декарта стал голландский математик и физик Христиан Гюйгенс. Известны два альтернативных взгляда на природу света — корпускулярная точка зрения, отстаиваемая Ньютоном, согласно которой свет — поток частиц, корпускул. И точка зрения Гюйгенса о волновой природе света, согласно которой свет — это волна, распространяющаяся в упругой механической среде, которая есть светоносный эфир. Наряду со светоносным эфиром, для объяснения электрических свойств тел Бенджамином Франклином вводится понятие электрического эфира, а Францем Эпинусом — понятие о магнитной жидкости. Как писал Кельвин: «Многие труженики и мыслители помогли выработать в XIX в. понятие «пленума» — одного и того же эфира, служащего для переноса света, теплоты, электричества и магнетизма». Тем не менее, идея абсолютного пустого пространства одерживает, благодаря авторитету Ньютона, победу над концепцией эфира вплоть до начала XIX века. И лишь работы Юнга и Френеля по изучению явлений ин-
5* 131
терференции и дифракции света (явления интерференции и дифракции сами по себе свидетельствуют именно о волновой природе света) приводят к возрождению концепции светоносного эфира и тут же наталкиваются на весьма серьезные затруднения, состоящие в установлении попереч-ности световых волн. Если световые волны понимать как упругие механические волны, распространяющиеся в эфире, то в случае их поперечности эфир должен быть твердым телом1.
Гипотеза упругих колебаний эфира на повестку дня выносила вопрос: неподвижен ли сам эфир или же он движется? Если он движется, то увлекается ли движущимися телами? Для спасения эфира были предприняты попытки различных ученых, которые привели к трем концепциям природы эфира, высветив тем самым конкретные пути для разрешения вопроса о существовании эфира как такового. Первая из них определяла эфир как неподвижную среду, не увлекающуюся движущимися телами. Вторая гласила о полном увлечении эфира движущимися телами, вследствие чего различные слои эфира должны иметь различные скорости. И, наконец, третья точка зрения, высказанная Френелем, о частичном увлечении эфира движущимися телами. Проблемная ситуация в физической теории тотчас же стимулировала постановку экспериментов, в ряду наиболее блистательных из которых являются опыт Физо и опыт Майкельсона. Однако проблема казалась неразрешимой, ибо результаты опытов Физо свидетельствовали о частичном увлечении эфира, результаты опытов Майкельсона — о полном увлечении эфира, явление же аберрации света указывает на то, что если эфир существует, то он неподвижен. Все точки зрения, базирующиеся на динамических теориях эфира, оказались несостоятельными и были опровергнуты специальной теорией относительности Эйнштейна, подготовив тем не менее необходимую почву для ее возникновения.
Хотя гипотеза эфира была устранена наукой XX века, она оставила несомненно важный след в формировании физических понятий. Ведь принятие эфира — это, по существу, принятие точки зрения близкодействия — передачи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что привело в исследованиях Фарадея и Максвелла к выработке понятия поля.
132
Фарадей принимает электрическое действие на расстоянии, однако не на основе ньютоновского взаимодействия, а посредством силовых линий, которые соединяют друг с другом частицы. Таким образом, взаимодействие рассматривается через колебания высокого порядка в силовых линиях, приобретающих в теории Фарадея реальный статус. В механике Ньютона сила, а тем более линия действия силы не рассматривались в качестве материально протяженной субстанции, и новый взгляд Фарадея наполнил пустое пространство Ньютона непрерывной совокупностью материальных субстанций — силовым полем (хотя в современной физической теории силовые линии не имеют того статуса, которое придавал им Фарадей, а служат для наглядной иллюстрации полей). Развивая взгляды Фарадея, Максвелл в своей работе «Динамическая теория поля» пишет: «Теория, которую я предлагаю может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электро-магнитные волны». Таким образом, у Максвелла мы находим констатацию существования поля как реальности и одновременно признание им материальной среды — эфира. Иными словами, поле он рассматривает как возбужденное состояние эфира. В дальнейшем поле как реальность наделяется теми же характеристиками, что и вещество — энергией, массой (введено Дж. Томсоном), импульсом (определенным из опытов по измерению давления света П.Н. Лебедевым). К началу XX века физика изучает материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Обе эти модификации рассматриваются как равноправные, обе обладают такими характеристиками как энергия, масса, импульс. Частицам вещества приписываются такие свойства как дискретность, конечность числа степеней свободы, в то время как поле характеризуется непрерывностью распространения в пространстве, бесконечным числом степеней свободы. Структура электромагнитного поля резюмируется в семи уравнениях Максвелла. Эти уравнения отличаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям
133
пустого пространства, в которых присутствуют частицы. Уравнения же Максвелла применимы для всего пространства независимо от того присутствует там вещество (в том числе, заряженные тела), иными словами, позволяют проследить изменения поля во времени в любой точке пространства, то есть получить уравнение электромагнитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все известные электрические и магнитные явления. Тот факт, что семь уравнений Максвелла увязывают воедино большое число физических законов, да к тому же имеют простую изящную симметричную форму, по сей день вызывает истинное эстетическое восхищение физиков. Людвиг Больцман высказался по поводу уравнений Максвелла словами Фауста (Гете «Фауст»: «Начертан этот знак не бога ли рукой!»). Исходя из своих уравнений, после ряда преобразований Максвелл устанавливает, что электромагнитные волны распространяются с той же скоростью, что и свет, и приходит к выводу о том, что свет — это электромагнитная волна, что было позднее, уже после смерти Максвелла, экспериментально подтверждено Г. Герцем.
Поле возникает как развитие идеи эфира, утверждая принцип близкодействия, отвергая представления о пустоте, о вакууме. Интересно следующее обстоятельство: дальнейшая судьба этих понятий приводит к отрицанию существования эфира и свяжет представление о вакууме с наинизшим энергетическим состоянием уже квантованного поля (поля как совокупности виртуальных частиц). Идея же абсолютного пространства свяжется с представлением о неподвижном эфире как об абсолютной системе отсчета. Однако специальная теория относительности лишит эфир его основного механического свойства — абсолютного покоя. Ибо, по словам Эйнштейна, «... введение «светоносного» эфира окажется измышлением, поскольку в специальной теории относительности не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделенное особыми свойствами». И эфир, изгоняясь из физической теории, унесет с собой концепцию дальнедействия и концепции абсолютного пространства и абсолютного времени. Казалось бы, что все предвещало обратную картину! Вот таковы коллизии развития и соперничества различных научных гипотез, взаимовлияние их, когда каждая из соперниц вносит свое кон-
134
структивное зерно в противоположную точку зрения, обогащая ее и формируя общее русло идей и направлений в развитии науки.
I Принципы относительности