§ 132. Сучасна фізична картина світу

Отже, ви закінчили вивчення основ фізики. Вивчений матеріал є результатом величезної дослідницької роботи, виконаної за багато століть ученими всього світу з дослі­дження різних форм руху матерії, будови і властивостей матеріальних тіл.

Світ, що нас оточує, винятково різноманітний у своїх проявах і вивчається багатьма науками. Фізика вивчає лише найбільш загальні закони природи, які керують про­цесами в навколишньому світі та Всесвіті, і на їх основі пояснює конкретні процеси, шляхи їх практичного вико­ристання.

У ході вивчення фізики та інших наук ви, напевно, переконалися в тому, що при всій різноманітності навко лишній матеріальний світ єдиний. Його єдність проявля ється насамперед у тому, що всі явища, якими б складним! вони не здавалися, є різними станами і властивостями рухомої матерії, мають у кінцевому рахунку мате ріальне походження. Єдність світу проявляється також у взаємозв'язку всіх явищ, можливості взаємоперетворень форм матерії і руху. Разом з тим єдність світу проявляється в існуванні ряду загальних законів руху матерії (закони збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, взаємозв'язку маси та енергії тощо).

Відображенням єдності світу в пізнанні є синтез науко­вих знань, здобутих у процесі дослідження природи різ­ними науками. На кожному етапі розвитку науки виникає необхідність об'єднання наукових знань в єдину систему знань про явища природи — в природничо-наукову кар­тину світу. Під прнродничо-науковою картиною світу розуміють усю сукупність знань про предмети і явища природи, об'єднані єдиними основоположними ідеями, які дістали підтвердження на дослідах і зберегли свою об'єк­тивну цінність у розвитку людської думки.

Фізична картина світу становить частину всієї системи .шань про природу, оскільки стосується лише фізичних

властивостей матеріальних тіл і фізичних форм руху мате­рії. Фізична картина світу дає найбільш загальне синте­зоване уявлення про суть фізичних явищ на даному етапі розвитку фізичної науки. Природно, що з розвитком фізи­ки зростав кількість відкритих законів. Одночасно встанов­люється зв'язок між цими законами, деякі закони дістають теоретичне обгрунтування і подальше узагальнення, на основі чого часто виявляється можливим вивести відомі раніше закони з більш загальних фізичних теорій, прин­ципів.

У розвитку людського пізнання і практичного освоєння світу завжди проявлялося прагнення сформулювати най­більш загальні закони і принципи, знання яких давало б ключ для пояснення усіх процесів. Розкриття таких зако­нів завжди вважалося найважливішою умовою побудови єдиної наукової картини світу.

У стародавньому світі всі знання про природу об'єдну­вала в собі фізика і уже в той час були сформульовані основні елементи матеріалістичного розуміння світу. Мис­лителі стародавньої Греції Левкіп, Демокріт, Епікур, Лукрецій Карр твердили, що навколишній світ за своєю природою матеріальний, нестворюваний і незнищуваний, існує вічно в часі і нескінченний у просторі Всі тіла складаються з первинних, далі неподільних частинок — атомів, які при всіх змінах не виникають з нічого і не знищуються, а лише з'єднуються і роз'єднуються.

У середньовіччя панівним був релігійний світогляд, однак і в цей період відбувалося нагромадження науко­вих знань під впливом розвитку матеріального вироб­ництва.

Висунута в 1643 р. Міколаєм Коперником геліоцен­трична система світу і наступний прогрес фізичних знань підготували ґрунт для формування механічної картини світу на основі законів механіки, сформульованих Нью­тоном. Згідно з вченням Ньютона, весь світ складається з твердих, непроникних частинок — атомів, які мають масу й інерцію. Відрізняються вони між собою, головним чином, кількісно, своїми масами. Ці частинки утворюють різні тіла, які об'єднуються в космічні системи. Все багат­ство, вся якісна різноманітність світу с результатом від­мінності в русі цих частинок.

Рух у класичній фізиці трактувався лише як просте переміщення тіл. Рух розглядався як щось зовнішнє від­носно тіл, що не впливає на їх внутрішню будову. З кла­сичної фізики випливав висновок, що матерія сама по собі позбавлена внутрішньої активності. Атом було наділено властивостями незмінності, неподільності тощо.

Фізика Ньютона давала досить загальну і відносно наочну картину світу. Вона стала теоретичною основою різних галузей техніки того часу. До другої половини XIX століття механічна картина світу досягла певної за­вершеності і здавалася непохитною. її зміцнення було обумовлене насамперед успіхами небесної механіки, яка змогла точно заздалегідь обчислювати майбутні положен­ня планет на небі на основі знання їх параметрів у мину­лому. Фізики вважали, що подібний однозначний взаємо­зв'язок між явищами проявляється повсюди в світі, який є гігантською складною машиною.

Застосування законів механіки до вивчення газів при­вело до створення молекулярно-кінетичної теорії, успіхи якої ще більш зміцнили механістичний погляд на світ. Навіть електромагнітні й світлові явища (на той час ще не була встановлена електромагнітна природа світла) тракту­валися на механічній основі.

Однак проста й наочна механічна картина світу ви­явилася неспроможною пояснити ряд явищ. Зокрема, великі труднощі виникли при поясненні необоротних явищ, оскільки в механіці всі явища в оборотними. Під час дослідження електромагнітних явищ (праці Ерстеда, Ампера, Араго тощо) з'ясувалося, що вони не підпорядко­вуються механіці Ньютона. Ці труднощі ще поглибилися після встановлення М. Фарадеєм взаємозв'язку між елек­тричними й магнітними явищами і створення Д. Максвел-лом теорії електромагнітного поля. Фундаментальні за­кони й рівняння цієї теорії не можна було звести до рівнянь механіки Ньютона.

Крім того, з розвитком термодинаміки і статистичної фізики були відкриті якісно нові статистичні закони теп­лових процесів, які теж не можна звести до законів дина­міки Ньютона. По суті це була криза механічної картини світу: уявлень про абсолютність законів механіки, про незмінність атомів, про можливість зведення усіх форм руху матерії до механічної.

З розвитком електродинаміки у фізиці поступово утверджується уявлення про світ як про всезагальну систему, побудовану з електрично заряджених частинок, які взаємодіють між собою за допомогою електромагніт­ного поля. Інакше кажучи, починаються спроби побуду­вати єдину електромагнітну картину світу, всі події в якій підпорядковуються законам електромагнітних взаємодій.

Вершини свого розквіту електромагнітна картина світу досягла після створення спеціальної теорії відносності, коли було усвідомлено фундаментальне значення скін-

ченності швидкості поширення електромагнітних взаємодій, створено нове вчення про просторово-часові властивості матерії, встановлені релятивістські рівняння руху тіл, які замінили рівняння Ньютона при великих швидкостях. Однак подальший розвиток фізики показав обмеже­ність і електромагнітної картини світу. Вона не могла пояс­нити стійкості атомів та їх спектральних характеристик, не охоплювала тяжіння (закон всесвітнього тяжіння не можна вивести з теорії електромагнітного поля), не пояс­нювала хімічного зв'язку атомів у молекулах, явища радіоактивності тощо.

Ряд фундаментальних відкриттів на початку XX сто­ліття — квантованості енергії й енергетичних рівнів елек­тронів в атомах, єдності корпускулярних і хвильових вла­стивостей у мікрочастинок, різноманітності типів елемен­тарних частинок та їх властивостей, взаємодій і пере­творень — все це привело до заміни електромагнітної картини світу якісно новою — квантово-польовою карти­ною світу. Вона грунтується на досягненнях квантової механіки, яка в основному пояснила структуру атомів і молекул, природу хімічного зв'язку, фізико-хімічпі вла­стивості макроскопічних тіл, описала багато законів і властивостей елементарних частинок, і теорії відносно­сті, яка розкрила зміни просторово-часових характеристик тіл зі швидкістю їх руху, зв'язок маси й енергії тощо. Сучасна квантово-польова картина світу грунтується на визнанні матеріальності і єдності світу, загального зв'язку і обумовленості структурних рівнів, на визнанні невичерп­ності властивостей матерії і необмеженості її пізнання. Єдність світу полягає в його матеріальності (усі пред­мети і явища є різними станами і властивостями рухомої матерії), у взаємозв'язку явищ, наявності в матерії уні­версальних властивостей (атрибутів), в існуванні загаль­них законів руху матерії.

З точки зору сучасної фізики існують два основні види матерії — речовина і поле. Речовина має перерив­часту (дискретну) будову, а поле — неперервну. Однак розвиток фізики показав, що поділ матерії на речовину й поле втратив абсолютний сенс. Ми знаємо, що кожному полю відповідають кванти цього поля: електромагнітному полю — фотони, ядерному — л-мезони тощо. У свою чергу всі частинки речовини мають хвильові властивості. При відповідних умовах частинки речовини можуть перетво­рюватися у кванти відповідних полів і, навпаки, кванти полів можуть перетворюватись у частинки речовини (прикладом може бути утворення електронно-позитронних

пар за рахунок фотонів і перетворення пари електрон— позитрон у фотони).

Відображенням матеріальної єдності світу є також і те, що вся різноманітність різних форм руху мікрочастинок і макроскопічних тіл проявляється через чотири основні типи взаємодій: 1) сильну, або ядерну, яка здійснює зв'язок нуклонів у ядрах атомів; 2) електромаг­нітну, яка обумовлює зв'язок між електрично заря­дженими частинками; 3) слабку, або «розпадну», яка обумовлює бета-розпад ядер і перетворення нейтрона в протон; 4) гравітаційну, яка обумовлює тяжіння між усіма матеріальними об'єктами. Ці взаємодії відріз­няються радіусом дії і відносною інтенсивністю, тобто енергією, яка передається під час цих процесів.

Сфера прояву різних взаємодій і викликаних ними фізичних явищ обумовлюється радіусом їх дії і зв'язана з тим чи іншим структурним рівнем поділу матерії. На макрофізичному рівні не проявляються короткодіючі сильні і слабкі взаємодії, тобто для макротіл вирішальне значення мають гравітаційна і електромагнітна взаємо­дія. Гравітаційна взаємодія визначає рух космічних об'єктів і, частково, їх будову. Досить істотною є сила тяжіння і для руху всіх макрофізичних тіл на Землі.

Матеріальна єдність світу проявляється також в абсо­лютності й відносності існування матерії, в її нестворю-ваності і незнищузаності, підтверджених усім розвитком природознавства. Про це свідчать конкретні закони збе­реження і перетворення фізичних величин, які характери­зують різні властивості матерії та її руху (закони збере­ження маси, енергії, заряду, імпульсу тощо). Ці часткові закони є конкретним виразом об'єктивної спільної вла­стивості нестворюваності і незнищуваності матерії і руху.

Сучасна фізична картина світу є результатом узагаль­нення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Однак хоча ця картина світу і відзначається великою загальністю й успішно пояснює багато явищ, усе ж у при­роді існує невичерпна кількість явищ, які зараз сучасна фізична картина світу пояснити не може. З таких трудно­щів слід насамперед вказати на ті, що зв'язані із створен­ням єдиної теорії елементарних частинок, яка б пояснила, чому існує так багато різних елементарних частинок, чому вони мають ті чи інші значення мас, зарядів та інших характеристик. Досі всі ці величини визначаються лише експериментально.

Сучасна фізична картина світу постійно розвивається і вдосконалюється, прагне більш точно відобразити об'єк-

тивну реальність. Процес пізнання світу нескінченний. Тому на зміну існуючій квантово-польовій картині світу прийде нова картина, яка глибше й точніше відобража­тиме об'єктивний світ фізичних явищ. І в нову картину світу увійде складовою частиною все те, що ми знаємо сьогодні про фізичні явища.