- •Вопрос № 9
- •II. Изменение представлений о взаимосвязи материи, времени и движения.
- •2. Эпистемологические
- •3. Социокультурные: психоанализ, персонализм, модернизм, анархизм, волюнтаризм, прагматизм
- •Особенности неклассического естествознания
- •1. Изменение роли субъекта и технических средств в познании
- •2. Поворот от «бытия» к «становлению»
- •3. Изменение объекта исследования:
- •4. Политеоретизм
- •5. Вероятностный характер знания
- •6. Релятивизм
- •7. Существенное повышение роли идеализированных объектов (математической гипотезы и идеализированных экспериментов)
- •8. Утрата наглядности
- •9. Отказ от определенности (в доскональном смысле)
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.
****