ВОПРОС № 9

СТАНОВЛЕНИЕ НЕКЛАССИЧЕСКОГО ЭТАПА

РАЗВИТИЯ НАУКИ НА РУБЕЖЕ XIX-XX ВВ

Основания перехода к неклассической науке

1. ФИЗИЧЕСКИЕ

I. Изменение представлений о материи

До рубежа XIX - XX вв. материя трактовалась как вещество, строительным материалом ко­торого являются атомы, наделенного вечными неизменными свойствами: протяженностью, непроницаемостью, постоян­ством массы, тяжестью, перемещением и др. Это понимание материи послужило основой для формирования ряда научных теорий и открытия законов природы, в том числе молекулярно-кинетической теории теплоты, закона всемирного тяготения, ос­новных законов динамики, закона сохранения вещества, перио­дической системы элементов. Однако ряд открытий в физике рубежа веков сделали эту трактовку материи несостоятельной. В 1897 г. был открыт электрон. Исследование электрона показало, что его масса не является постоянной, она зависит от скорости его движения. Физики были вынуждены пересмотреть механическое понятие массы и заменить его понятием электромагнитной массы. Рухнуло представление об одном «неизменном» свойстве материи – постоян­стве массы. Электрон стал рассматриваться не как материальная частица, а как энергия (сгусток электричества). Исследование катодных лучей привело к открытию В. К. Рентгеном лучей X, названных затем его именем. Эти лучи, не воспринимаемые глазом, обладают свойством проникать через непрозрачные тела и действовать на фотографическую пластин­ку В 1896 г. А.А. Беккерель также открыл лучи, проникающие через непрозрачные предметы. Эти лучи самопроизвольно испус­кались некоторыми веществами. Открытие этого явления, впос­ледствии названного радиоактивностью, имело исключительно важное значение. Эти открытия подорвали представление о другом «неизменном» свойстве материи – непроницаемости. Кроме того, в свойстве радиоактивности – постоянно испус­кать энергию – некоторые физики увидели крушение принципа сохранения материи: материя превращается в энергию. Этот всеобщий разгром принципов привел к тому, что многие ученые пришли к отрицанию материи (материя исчезла, осталась только энер­гия), к признанию энергии единственной основой мира, его суб­станцией.

Выход из сложившегося кризиса обеспечил В.И. Ленин, который в работе «Материализм и эмпириокритицизм» дал новую трактовку категории «материя»: «Материя,– писал он,– есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отобра­жается нашими ощущениями, существуя независимо от них». Таким образом, сущность материи заключается не в вещественности (т.к. поле тоже материально), а в объективности (т.е. независимом от человека существовании) и принципиальной доступности непосредственному или опосредованному приборами чувственному восприятию.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

• Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

• Вещество и поле различаются по своим физическим ха­рактеристикам: частицы вещества обладают массой по­коя, а поле — нет.

• Вещество и поле различаются по степени проницаемо­сти: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, пол­ностью проницаемо.

• Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

****

При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадок­сальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпуску­лярные свойства.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в исто­рии физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтвер­ждении. Наиболее убедительным свидетельством существова­ния волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. ди­фракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по об­наружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементар­ных частиц, предсказанных на основе системы формул разви­той волновой механики.

Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется нали­чием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как час­тица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой фи­зике эти два описания реальности являются взаимоисключаю­щими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

****

Квантово-механическое описание микромира основывается на:

- принципе соотношении неопределенностей В. Гейзенберга

- принципе дополнительности Н. Бора.

1.Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заклю­чается в следующем. Допустим, ставится задача определить со­стояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользо­ваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической ме­ханики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью ус­тановить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге "Физика атомного ядра" В. Гейзенберг раскрывает со­держание соотношения неопределенностей. Он пишет, что ни­когда нельзя одновременно точно знать оба параметра — коорди­нату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где нахо­дится частица, как быстро и в каком направлении она движет­ся. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. Гейзенберг наглядно объяснял свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы мы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того, чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым изменят его импульс на неопределенную величину. Таким образом мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется неопределенным.

С точки зрения классической механики, соотношение не­определенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оце­нить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, лю­ди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить на­глядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотно­шение неопределенностей есть выражение невозможности на­блюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать чет­кую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при на­блюдении отклонения лучей.

2.Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип допол­нительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего".

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъ­ектов являются результатом неконтролируемого взаимодейст­вия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса при­боров: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включаю­щее результат взаимодействия прибора с микрообьектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы — это "проекции" фи­зической реальности на экспериментальную ситуацию.

В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе "картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны до­полнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

****

II. Изменение представлений о взаимосвязи материи, времени и движения.

Специальная и общая теория относительности Эйнштейна:

1. Сокращение длины. Как отмечал ранее один из крупнейших физиков-теоретиков Лоренц (1853-1928), движении любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Если космический корабль проносится с большой скоростью мимо находящегося в неподвижном состоянии наблюдателя, то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительно на величину, зависящую oт скорости корабля. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект, и если бы корабль мог двигайся точно со скоростью света, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю.

2. Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдения. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных. Если бы ракету можно было разогнать до скорости света, то для "покоящегося" наблюдателя время внутри нее остановилось бы.

Эффект замедления времени на борту ракеты касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Другими словами, с точки зрения земного наблюдателя члены космического корабля стареют медленнее, чем их космические двойники. Если один из двух близнецов совершит длительное космическое путешествие со скоростью, близкой к скорости света, то по возвращении на Землю он обнаружит, что оставшийся дома его брат стал гораздо старше его самого (парадокс близнецов). Эффект замедления времени подтвержден многими экспериментами с космическими лучами.

3. Увеличение массы. Пытаясь согласовать со специальной теорией относительности второй закон Ньютона, Эйнштейн обнаружил еще одно следствие своей теории: масса тела зависит от скорости его движения. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше становится его масса, и если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности. Отсюда следует, что никакое тело с отличной от нуля массой нельзя разогнать до скорости света, так как для этого требуется бесконечная энергия.

В том же 1905г. была опубликована небольшая заметка Эйнштейна, где автор находит связь между массой и энергией. "Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии", - заключает Эйнштейн. Так, в науке появилось знаменитое соотношение

Е = mc ²

где Е - полная энергия тела, m - его масса покоя, с - скорость света.

Мы знаем, что окружающий нас мир имеет три измерения. Принимая точку зрения Ньютона, мы представляем себе время как независимо существующий, непрекращающийся, ровно текущий поток. Но специальная теория относительности утверждает, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое и неизменное. В 1907 г. немецкий математик Минковский (1864-1909) высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерность тесно связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве-времени.

Итак, наша Вселенная, по-видимому, четырехмерна. Пространство и время нельзя рассматривать как независимые физические сущности - напротив, они самым тесным образом связаны между собой.