1.5.6. Кризис в физике на рубеже веков
С ХVII в. в физике и философии массу понимали как количество материи в теле и рассматривали как основной признак материальности.
Открытие зависимости массы электрона от его скорости, гипотеза о чисто электромагнитной природе массы лишали тела материальности.
Возник вопрос об исчезновении массы и материи вообще, поскольку масса понималась как основной признак материальности тела.
Некоторые физики и философы высказывали мнение о том, что «материя исчезла», что само развитие науки заставляет отказаться от признания существования материи и справедливости общих важнейших физических законов (закона сохранения массы, закона сохранения количества движения и др.).
Ситуация усугубилась в связи с открытием радиоактивности. Ведь не было ответа на вопрос об источнике энергии, которую несет с собой радиоактивное излучение.
В связи с этим высказывалось сомнение и во всеобщности закона сохранения энергии. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже ХIХ–ХХ вв., фр. математик, физик, философ А. Пуанкаре назвал кризисом физики.
Закон сохранения массы, закон сохранения количества движения, закон сохранения энергии – все эти фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, стали подвергаться сомнению.
Некоторые физики (Э. Мах, Р. Авенариус и др.) полностью переходили на позиции субъективного идеализма. Они исходили из того, что «материя исчезла» потому, что не природа дает нам законы, а мы устанавливаем их, и, вообще, всякий закон есть не что иное, как упорядочение наших субъективных ощущений, и т.д.
Многие физики скатились на позиции «физического идеализма», т.е. отказа от признания материальности объекта физического познания.
На самом же деле проблема состояла в том, что к концу ХIX в. методологические установки классической физики уже исчерпали себя и необходимо было изменять теоретико-методологический каркас естественнонаучного познания.
Возникла необходимость расширить и углубить понимание и самой природы, и процесса ее познания. Не существует такой абсолютной субстанции бытия, с познанием которой завершается прогресс науки.
Как бесконечна, многообразна и неисчерпаема сама природа, так бесконечен, многообразен и неисчерпаем процесс ее познания естественными науками.
Электрон так же неисчерпаем, как и атом. Каждая естественнонаучная картина мира относительна и преходяща.
Процесс научного познания необходимо связан с периодической крутой ломкой старых понятий, теорий, картин мира, методологических установок, способов познания.
К концу ХIX в. механистическая, метафизическая, предметоцентрическая методология себя исчерпала. Естествознание стремилось к новой диалектической, системоцентрической методологии. Поиски новой методологии были не простыми, сопряженными с борьбой мнений, школ, взглядов, философской и мировоззренческой полемикой.
. Понятие «материи» в XX веке
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны.
Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.
Макс Планк (1858–1947) |
Планк Макс – немецкий физик-теоретик, один из основоположников квантовой физики. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Лауреат Нобелевской премии (1919 г.) |
Теория М. Планка положила начало новой квантовой физике, которая описывает процессы, протекающие в микромире. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».
Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.
Новая теория включала в себя, помимо «постоянной Планка», и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием «постоянной Больцмана». В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение «постоянной Больцмана» и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, он сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.
Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения, для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект).
Эйнштейн Альберт, немецкий физик-теоретик, автор частной и общей теории относительности, квантовой теории теплоемкости и фотоэффекта. Лауреат Нобелевской премии (1921 г.) |
Альберт Эйнштейн (1879–1955) |
В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.
Корпускулярно-волновой дуализм: материя как физическая реальность едина, и нет пропасти между веществом и полем. Поле подобно веществу обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества подобно полю – волновыми, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы.
Эрвин Шредингер создал новую механику, описывающую поведение микрочастиц – волновую механику. Шредингер работал над проблемой объединения гравитации и электромагнетизма в единую теорию поля, занимался различными вопросами термодинамики, нелинейной электродинамики и алгебры мезонов.
Э. Шредингер (1887–1961) |
Эрвин Шрёдингер, австрийский ученый-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1933 г.) |
Будучи прекрасным математиком, Шредингер умело использовал теорию соотношения волновой и лучевой оптики, и вывел свое знаменитое дифференциальное уравнение в частных производных волнового поля атома водорода. При решении этого уравнения дискретные энергетические уровни Бора естественно получались как собственные значения некоторого оператора.
Наряду с дальнейшим развитием волновой механики Э. Шредингер много работал над проблемой объединения гравитации и электромагнетизма в единую теорию поля, над различными вопросами термодинамики, нелинейной электродинамики и алгебры мезонов. Во время, так называемых «летних школ», ежегодно устраиваемых Шредингером в Дублине, многие выдающиеся исследователи из разных стран мира обсуждали актуальнейшие проблемы современной физики.
Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планком новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на «постоянную Планка». Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.
Нильс Бор создал первую квантовую теорию атома, а затем участвовал в разработке основ квантовой механики. Внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.
Бор разработал и в 1913 году опубликовал теорию атома, в которой показал, что планетарная структура атома и свойства его спектра излучения могут быть объяснены, если считать, что движение электрона подчинено некоторым дополнительным ограничениям – так называемым постулатам Бора.
Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.
2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.
Нильс Хенрик Давид Бор, датский физик, один из создателей квантовой механики, теории ядра. Лауреат Нобелевской премии (1922 г.) |
Нильс Бор (1885–1962) |
Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.
В 1927 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание.
Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.
Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.
Немецкий физик-теоретик Гейзенберг Вернер Карл, один из создателей квантовой механики, в 1927 г. пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины можно определить только с определенной степенью вероятности.
В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность.
Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Суть его в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы – координаты и импульса.
Гейзенберг Вернер-Карл (1901–1976) |
Гейзенберг Вернер-Карл, всемирно известный немецкий физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии за 1932 год «за создание квантовой механики, приложение которой привело к открытию разных форм существования водорода». Он был одним из самых молодых ученых, получивших Нобелевскую премию. Гейзенберг был почетным членом многих академий наук и научных обществ. |
Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной.
Существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъектов.
Два фундаментальных принципа квантовой физики:
1) принцип соотношения неопределенностей,
2) принцип дополнительности – указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей.
Таким образом, в квантовой физике (М. Планк, Э. Шредингер, Н. Бор, В. Гейзенберг) была создана концепция корпускулярно-волнового дуализма материи: материя, как физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем. Поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю – волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы.
Законы квантовой физики – статистические. Статистические закономерности проявляются в массе явлений, имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности.
Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов.
Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма.
Примеры статистических закономерностей – законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.