Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
4. Проблема бесконечности материи в пространстве и во времени
Понятие бесконечности материального мира как один из аспектов
неисчерпаемости материи имеет особо важное методологическое и миро-
воззренческое содержание. Понятие бесконечности играет фундаменталь-
ную роль в философии, астрономии, математике, физике и других отраслях
научного знания. Положение о неисчерпаемости материального мира, о
бесконечности материи в пространстве и во времени лежит в основе диа-
лектико-материалистического миропонимания;
В физических теориях вопрос о бесконечности материи рассматри-
ваете в плане анализа проблемы бесконечности пространства и времени,
ибо «нет ни одного закона природы, который нельзя было бы свести к не-
которому закону, сформулированному на языке пространственновременных понятий».
Представление о бесконечности мира нередко ассоциируется с чем-
то вроде прямой, уходящей в область исчезающе малых интервалов, с од-
ной стороны, и в область неограниченно больших масштабов — с другой.
Но, как подчеркивает Ф. Энгельс, "бесконечность есть противоречие, она
представляет собой бесконечный, без конца развертывающийся во времени
и пространстве процесс".
Представления о реальной бесконечности материального мира раз-
виваются, конкретизируются и уточняются по мере развития естественно-
научных знаний о структуре материи, о фундаментальных взаимодействиях, о содержании и сущности пространственно-временных свойств и движения материи.
В классической физике и в классической космологии идея бесконеч-
ности Вселенной не вызывала сомнений - Вселенная представлялась там в
виде "островов" материи, плавающих в бесконечном ньютоновом про-
181
странстве. Такое решение проблемы было прямым следствием евклидовых
представлений о пространстве.
Но классическая физика столкнулась с рядом трудностей, которые не
согласовывались с идеей бесконечной Вселенной, содержащей равномерно
распределенную материю во всем пространстве. В том случае, если мате-
рия будет в среднем равномерно распределена во всем бесконечном про-
странстве, тогда, в соответствии с законом тяготения Ньютона, энергия и
силы тяготения, действующие на любые тела, оказались бы бесконечно
большими. Но этого в действительности нет. Наряду с этим гравитацион-
ным парадоксом, открытым К. Нейманом (1874 г.) и Г. Зеелигером (1895
г.), возникают и другие трудности. Г. Ольберс (1823 г.) показал, что сум-
марное излучение бесчисленных звезд, разбросанных в бесконечном про-
странстве, должно было бы быть бесконечно ярким (фотометрический па-
радокс), чего, однако, в природе тоже не наблюдается. С проблемой беско-
нечности материального мира в классической физике был связан и термо-
динамический парадокс.
Особо важной чертой понятия неисчерпаемости материи является
неуничтожимость движения не только в количественном, но и в качест-
венном смысле, взаимопревращение форм и видов движения материи, оп-
ределяющее изменение свойств, характер взаимосвязей и закономерностей
материальных структур и материальных процессов.
Вся история развития научного знания и достижения современного
естествознания в том числе полностью подтверждает диалектико-
материалистические представления о глобальном характере эволюции ма-
терии.
182
Рекомендуемая литература
1. Ефименко В.Ф. физическая картина мира и мировоззрение. Владиво-
сток: Изд-во Дальневост.ун-та, 1997
2. Ленин В.И., ПСС, т. 18, с. 131
3. Материя // Большая советская энциклопедия
4. Философский словарь / Под ред. И. Т. Фролова. — 4-е изд.-М.: Полит-
издат, 1981. — 445 с.
5. Фридман А.А. Мир как пространство и время. 2-е изд.-М.: Наука, 1965
6. Эйнштейн А. Собр. научн. трудов. Т.1-4.-М.: Наука, 1965-1967
ГЛАВА 4. ОБОБЩЕНИЕ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ
О ОБЩЕНАУЧНЫХ ПОНЯТИЯХ В ФИЗИКЕ
Тема 16. Фундаментальные идеи и принципы
План:
1. Принципы;
2. Идеи.
1. Принципы
Принцип (лат. principium - основа, первоначало) - основное, исходное
положение какой-либо теории, учения, науки и т.д.; руководящая идея, основное правило поведения, деятельности.
Принципы в механике. Принцип относительности Эйнштейна:
никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные
внутри данной инерциальной системы отсчета, не дают возможности об-
наружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямоли-
нейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от од-
ной инерциальной системы к другой.
183
Первый постулат Эйнштейна, являясь обобщением механического
принципа относительности Галилея: утверждает, что физические законы
инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а
уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инер-
циальных системах отсчета.
Принцип инвариантности скорости света Эйнштейна: скорость
света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или на-
блюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости
света — фундаментальное свойство природы. Если все другие скорости
изменяются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к дру-
гой, то скорость света в вакууме - величина инвариантная (неизменная).
Из постулатов СТО следует, что скорость света в вакууме —
максимально возможная (предельная) скорость.
Описываемые теорией относительности явления (они получили на-
звание релятивистских явлений) наблюдаются при скоростях движения
тел, сравнимых со скоростью с распространения света в вакууме.
Следствия из теории Эйнштейна находят надежное экспери-
ментальное подтверждение, являясь тем самым обоснованием постулатов
Эйнштейна — обоснованием специальной теории относительности.
Принцип независимости действия сил: если на материальную точку
действует одновременно несколько сил, то каждая из этих сил сообщает
материальной точке ускорение, как будто других сил нет.
Принцип относительности Галилея: законы динамики одинаковы во
всех инерциальных системах отсчета. Все инерциальные системы отсчета
по своим механическим свойствам эквивалентны друг другу.
184
Подтверждение принципа относительности Галилея (механического
принципа относительности) .
В системе K’ ускорение . Следовательно,
если на точку А другие тела не действуют (а = о), то а' = о, т. е. система К'
является инерциальной (точка движется относительно нее равномерно и
прямолинейно или покоится).
Из равенства вытекает подтверждение принципа относи-
тельности Галилея (механического принципа относительности): уравнения
динамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой
не изменяются, т. е. являются инвариантными по отношению к преобразо-
ваниям координат.
Никакими механическими опытами, проводимыми внутри данной
инерциальной системы отсчета, нельзя установить, покоится она или дви-
жется равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах от-
счета одинаковы свойства пространства и времени, одинаковы и все зако-
ны механики.
Принцип инерции Галилея - Если на тело не действуют внешние си-
лы, то оно сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного
движения
Принцип эквивалентности - У всех веществ инертная и гравитаци-
онная массы точно совпадают
Принципы в молекулярной физике. Принцип возрастания энтропии: все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению еѐ энтропии
(ведь все реальные процессы необратимы).
При статистическом толковании энтропии это означает, что процес-
сы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросо-
185
стояний, иными словами, от менее вероятных состояний к более вероят-
ным до тех пор, пока вероятность состояния не станет максимальной.
Согласно неравенству Клаузиуса (ΔS≥0) и формуле Больцмана {S = k
In w), энтропия и термодинамическая вероятность состояний замкнутой
системы могут либо возрастать (в случае необратимых процессов), либо
оставаться постоянными (в случае обратимых процессов).
Необратимые процессы протекают самопроизвольно до тех пор, пока
система не достигнет состояния, отвечающего наибольшей вероятности
(энтропия при этом достигает своего максимума).
Примеры: перемешивание молекул двух газов при диффузии или
выравнивание температур двух газов с разными исходными температурами.
Принцип недостижимости абсолютного нуля температуры: невоз-
можно осуществить такой процесс, в результате которого тело охладилось
бы до температуры Т=0 К.
Принципы в электродинамике. Принцип суперпозиции магнитных
полей: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколь-
кими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнит-
ных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся заря-
дом в отдельности
Принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей: на-
пряженность Е результирующего поля, создаваемого системой зарядов,
равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в дан-
ной точке каждым из зарядов в отдельности.
Принципы в разделе колебания и волны. Принцип суперпозиции
(наложения) волн: при распределении в линейной среде нескольких волн
каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют,
а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени рав-
186
но геометрической сумме смещений, которые получают частицы среды,
участвуя в каждом из независимых волновых процессов. Например, если
волны распространяются от двух источников, то они, доходя до какой-то
точки, вызывают еѐ колебания независимо друг от друга.
Принципы в оптике. Принцип Гюйгенса: каждая точка, до которой
доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн
даѐт положение волнового фронта в следующий момент времени (волно-
вой фронт - геометрическое место точек, до которых доходят колебания к
моменту времени t). Этот принцип - основа волновой оптики.
Принцип Гюйгенса-Френеля: световая волна, возбуждаемая источни-
ком S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных
вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.
Принцип Ферма: в пространстве между двумя точками свет распро-
страняется по тому пути, вдоль которого время его прохождения мини-
мально.
Принципы в ядерной физике. Принцип зарядового сопряжения:
для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.
Принципы в квантовой физике. Принцип неразличимости тожде-
ственных частиц: экспериментально различить тождественные частицы
невозможно.
Принцип Паули: в одном и том же атоме не может быть более одного
электрона с одинаковым набором четырѐх квантовых чисел n, I, m1 и m8,
т.е. Z(n, I, m1 и m8) = 0 или 1.
Принцип суперпозиции состояний для волновых функций: если какая-
либо система (частица или их совокупность) может находиться в различ-
ных состояниях, описываемых волновыми функциями то
она может находиться в состоянии , описываемом линейной комбинаци-
ей этих функций.
187
Принцип неопределенности: невозможно одновременно точно опре-
делить значения координаты и импульса частицы.
Принцип дополнительности: принцип дополнительности, сформули-
рованный Н. Бором в 1927 г., состоит в том, что при экспериментальном
исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо
об их энергиях и импульсах (энергетически-импульсная картина), либо о
поведении в пространстве и времени (пространственно-временная карти-
на). Эти взаимоисключающие картины не могут применяться одновремен-
но, поскольку свойства квантовых объектов запрещают их одновременное
использование, т.е. можно говорить о единстве этих картин с точки зрения
законов сохранения симметрии, ибо эти свойства в равной мере характери-
зуют микрообъект, что предполагает их использование в том смысле, что
вместо единой картины необходимо применять две: энергетическиимпульсную и пространственно-временную. Суть принципа дополнитель-
ности как общего принципа научного познания может быть определена
следующим образом: всякое сущностное явление природы не может быть
определено однозначно с помощью слов естественного языка и требует для
своего определения по крайней мере два взаимоисключающих, дополнительных понятия (категории).
Анализ законов сохранения симметрии и принципа дополнительно-
сти показывает, что принцип дополнительности является следствием про-
явления законов сохранения симметрии. Поэтому он является всеобщим.
Принцип характеризует корпускулярно-волновой дуализм не только в
микромире, но и на всех уровнях мироздания.
Он несет в себе глубокий системный смысл и отражает системную
причинно-следственную связь между структурой и функцией.
Принцип соответствия. Этот принцип был в явной форме сформу-
лирован Н. Бором в 1923 г. Идея Бора состояла в том, что поскольку зако-
188
ны классической механики подтверждаются с большой точностью в широ-
кой области явлений, то следует считать, что и новая, более точная теория
в применении к этим явлениям должна давать те же результаты, что и ме-
ханика Ньютона. Никакая новая теория не может быть справедливой, если
она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относя-
щуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в
своей области.
В квантовой механике в принципе соответствия проявляется тот
факт, что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении величин, сравниваемых с постоянной Планка (h). При рассмотрении макроско-
пических объектов постоянную Планка можно считать пренебрежимо ма-
лой (h->0). Это приводит к тому, что квантовые свойства рассматриваемых
объектов оказываются несущественными; представления классической фи-
зики - справедливы.
Следовательно, значение принципа соответствия выходит за границы
квантовой механики. Он войдет составной частью в любую новую теорию.
Общеметодологическое значение принципа соответствия определяется
следующим образом: «Теории, справедливость которых была эксперимен-
тально установлена для определенной группы явлений, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней об-
ласти явлений как предельная форма и частный случай новых теорий. Ма-
тематический аппарат новой теории, содержащий некий характеристиче-
ский параметр... при надлежащем его значении переходит в математиче-
ский аппарат старой теории».
189
2. Идеи
Среди множества физических идей прошлого и настоящего времени
можно выделить небольшое число таких, которые сыграли огромную роль
в развитии науки. Речь идет о фундаментальных, носящих методологиче-
ский характер идеях.
С одной стороны, в такой идее наиболее концентрированным обра-
зом выражены последние достижения науки, что позволяет считать ее
высшей формой научного знания, с другой, идея выступает в роли эври-
стического метода познания, примыкая к логическому (теоретическому)
инструментарию. Таковы идеи элементарности, сохранения, симметрии,
соответствия, дополнительности, наблюдаемости, единства картины мира.
Из-за фундаментального характера этих методологических идей в физике
они получили название принципов.
Однако не все идеи входят в содержание школьного курса физики.
Идея дополнительности, например, ставшая одним из методологических
принципов современного естествознания, требует глубокого философского
осмысления, недоступного для познавательных возможностей школьни-
ков. Вместе с тем целый ряд стержневых методологических идей, таких,
как идеи элементарности, сохранения, симметрии, единства научной кар-
тины мира позволяет сконцентрировать и синтезировать учебный материал
школьного курса физики, выделяя в нем главное и фундаментальное.
Идея элементарности. Основные этапы формирования знаний
школьников о методологической идее элементарности можно представить
следующим образом:
макротело как совокупность молекул;
молекула (наименьшая часть вещества, обладающая только ей прису-
щими химическими и физическими свойствами) :
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]