Дипломная работа: История системного подхода в науке и технике

Свое сочинение “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”, где описаны результаты более 600 опытов, Гилберт опубликовал в 1600 г. Здесь он впервые подробно описал поведение магнитной стрелки, установил нераздельность северного и южного полюсов магнита и невозможность получить магнит с одним лишь полюсом. Путем изучения с помощью магнитной стрелки свойств намагниченного шара, Гилберт открыл их соответствие магнитным свойствам Земли, установив таким образом, что последнюю можно рассматривать как “большой магнит”. Он открыл также несоответствие магнитных полюсов Земли географическим северному и южному полюсов.

В течение XIX в. к первичным сведениям относительно статического электричества, накопленным со времен Гилберта, Ломоносова и Кулона, добавился ряд разделов научного и технического знания, выросших на основе понятия электрического тока. Английский физик М. Фарадей (1791-1867) показал взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, а также между светом и магнетизмом (на примере вращения скорости поляризации света в магнитном поле). Он ввел в 1852 г. и самое понятие поля, в том числе электромагнитного, и усовершенствовал существовавшую и ранее, но не всеми признаваемую теорию волновой природы света, высказав идею об электромагнитной природе света. Эта идея хорошо согласовалась с волновой концепцией света О.Ж. Френеля - Т. Юнга, но противоречила более традиционной корпускулярной концепции света как потока частиц (И. Ньютон). Волновая концепция, хорошо объяснявшая дифракцию и интерференцию, а также электромагнитная концепция света Фарадея послужили для другого английского физика, Дж.К. Максвелла (1831-1879), стимулом к созданию в 1860-1865 гг. теории электромагнитного поля, которая придала завершенный характер классической физике: область электрических явлений благодаря этой теории стала частью предмета физики и оказалось вписанной в механистическую картину мира в таком же смысле, как ранее это можно было сказать о собственно механических явлениях. Свою теорию электромагнитного поля Максвелл сформулировал в виде системы дифференциальных уравнений; убедительно подтвердил то, что у Фарадея оставалось догадкой - что свет есть один из видов электромагнитного излучения; вычислил, что таковое должно распространяться в пустоте со скоростью света. Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было дано в 1888 г. немецким физиком Г.Р. Герцем (1857-1894), наблюдавшим их интерференцию, поляризацию, преломление и т.д. Отметим, что в том же году (1888) опыты Герца повторил А.С. Попов (1859-1906) и затем высказал идею о возможности их использования для передачи сигналов на расстоянии - мысль, легшая в основу изобретенного им же в 1895 г. радиоприемника и его же открытия эффекта радиолокации (1897).

Математически углубив электродинамику, Герц придал ей форму, полностью демонстрировавшую симметрию между электрическими и магнитными явлениями (“электродинамика Максвелла - Герца”).

Синтезу классического естествознания способствовала точка зрения Максвелла на электрическую и на любой вид энергии как на эквивалент механической. Объединению теории электрического поля с ньютоновской механикой содействовало также признание Максвеллом существования эфира - абсолютно однородной среды, заполняющей все мировое пространство и служащей субстратом для распространения электромагнитных волн всех диапазонов. Гипотеза эфира впоследствии оказалась ложной, но на данном этапе только с ее помощью можно было обойтись без концепции дальнодействия. Теория электромагнитного поля, разработанная Максвеллом и ставшая затем общепризнанной, в конечном счете не нуждалась в допущении эфира.

Управления Максвелла, позволившие определять основные параметры электромагнитного поля в зависимости от пространственного распространения зарядов и токов, легли в основу классической электродинамики. Однако они оказали неприложимыми к электромагнитным волнам малой длины и большой частоты: для этого случая оказалось необходимым разработать иные закономерности, относящиеся уже к области квантовой электродинамики.

Квантовая электродинамика возникла в рамках квантовой теории поля и до настоящего времени остается наиболее разработанной частью этой теории, основе которой лежит тезис, что поле (в частности электромагнитное) обладает не только непрерывными свойствами, как это предполагалось классической максвелловской электродинамикой, но и прерывными (дискретными) свойствами. Носителями последних являются кванты поля, точнее, соответствующих ему излучений. В случае света и других электромагнитных излучений эти кванты называются фотонами.

Начало XX столетия совпало с началом квантовой механики - теории, ставящей целью объяснить свойства и движение элементарных микрочастиц - дискретных частиц чрезвычайно малой (вплоть до нулевой) массы, к которым относятся как элементарные частицы, так и более сложные объекты микромира, например, атомные ядра и атомы в целом. Первыми экспериментальными предвестниками нового подхода были открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также первой из ставших известными элементарных частиц - электрона. Все эти события произошли в 1895-1897 гг. Однако непосредственно начало квантовой механике положила лишь в 1900 г. работа немецкого физика Планка (1856-1947). В 1900 г. он выдвинул предположение, что атом изучает световую или вообще электромагнитную энергию лишь определенными порциями - квантами.

Гипотеза Планка на новом уровне возродила корпускулярную теорию светаПредпосылками квантовой концепции Планка-Эйнштейна было открытие фотоэффекта Герцем в 1887 г., электрона Дж. Дж. Томсоном в 1898 г. и объяснение фотоэффекта как испускания электронов Ф. Ленардом в 1899 г. На этом примере видна тесная преемственность классического естествознания с современным, постклассическим: переход от первого ко второму в ряде случаев совершается с такой непрерывностью, что граница не всегда сразу видна. В данном случае ее образуют публикации Планка и Эйнштейна 1900-1905 гг., знаменовавшие переход к новому, квантовому образу мышления.

Исходя их этого образа мышления, датский физик Н. Х.Д. Бор (1885-1962) усовершенствовал созданную в 1911 г.Э. Резерфордом (1871-1937) планетарную модель атома, согласно которой почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Однако по законам классической механики такая система не могла быть устойчивой: все электроны давно должны были упасть на ядра. Согласно внесенному в 1913 г. Бором уточнению, электроны, вращаясь вокруг ядра атома по орбитам стационарным орбитам, не излучают энергии, но переходя с одной из своих “допустимых" орбит на другую, излучают в каждом случае квант энергии. Позже Бором была разработана “копенгагенская интерпретация" квантовой механики, исходящая из того, что о самом существовании микрочастиц, тем более об их свойствах и движениях, можно судить только в контексте наблюдения.

Квантовая механика совершенно по-новому осветила микромир и его закономерности, о которых ранее имелись лишь смутные догадки. Эйнштейн в 1905 г., развивая идею Планка о квантованности электромагнитного излучения, предположил, что это излучение и в том числе видимый свет не только испускается порциями, но и вообще состоит из таковых, т.е. из квантов света (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте световых волн. Фотон может превращаться в электрон и позитрон - под последним имеется в виду положительно заряженный “двойник” электрона. Позитрон был открыт сначала теоретически, затем уже экспериментально, в космических лучах, и это открытие вызвало к жизни идею, что и у других элементарных частиц есть двойники-античастицы; каждая частица при становлении со своей античастицей аннигилирует. Помимо позитронов, были затем обнаружены антипротоны, антинейтроны и многие другие античастицы. Массы и спины частиц и соответствующих им античастиц равны, что же касается электрических зарядов и магнитных моментов, то и те и другие у частиц и их античастиц равны по величине и противоположны по знаку. Однако нет точных данных, насколько античастицы распространены во Вселенной: нет ли, в частности, таких крупных областей, которые были бы заполнены состоящим из одних античастиц “антивеществом” (проблема антимиров).

Сейчас известно уже довольно много видов элементарных частиц. Многое в классификации элементарных частиц остается пока гипотетическим и условным; например, не дали еще общезначимых результатов поиска гравитона - частицы, соответствующей гравитационному полю, как фотоны соответствуют электромагнитному.

В основе квантовой механики лежит парадоксальное с точки зрения классической (неквантовой) физики положение о том, что в поведении микрочастиц проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. Это положение не является чисто теоретическим тезисом с целью построить законченную картину мира, но получило прежде всего экспериментальным путем. Показано, например, что пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, объясняемую только при волновой трактовке электронов, в то время как в других случаях они ведут себя явно как частицы.

Концепция Планка - Эйнштейна основывалась на том, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Но это противоречило важной предпосылке самой этой концепции, идее Максвелла о свете как электромагнитных волнах. Эйнштейн предположил, что противоречие это является реальным: свет является в одно и то же время и волнами и потоком частиц. Например, при соударении с металлами фотоны, действуя как частицы, выбирают (при определенной частоте света и следователь, энергии фотонов) из металла электроны; в других случаях, например, при интерференции и дифракции, свет ведет себя как волна. В 1924 г.Л. де Бройль распространил этот корпускулярно-волновой дуализм, т.е. концепцию двоякой (корпускулярной и волновой) природы одного и того же объекта, на вещество, предположив, что вообще поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, однозначно соответствующими массе и энергии частиц. При всей непривычности для сознания физики того времени идеи тождества на микроуровне таких разных объектов, как частица и волна, принятие корпускулярно-волнового дуализма в конечном счете оказалось единственным разумным выходом из противоречия между в равной мере обоснованными волновой и корпускулярной природой света. Обобщение дуализма на всю материю явилось одним из первых и наиболее резких признаков совершившегося перехода к неклассическому мышлению в естествознании. Уже в 20-е годы гипотеза де Бройля получила широкое признание, в том числе и тот ее момент, что количественное соотношение между волновыми и корпускулярными свойствами для всех частиц то же, что было ранее предположено Планком для фотонов.

Э. Шредингер, используя бройлевское обобщение, создал в 1926 г. волновую механику - теорию движения микрочастиц, в которой для описания состояния микрочастиц введена волновая функция. Опыт подтвердил, что все микрочастицы обладают также и волновыми свойствами, а волновым процессам и следовательно, полям присуща дискретность. Таким образом, благодаря корпускулярно-волновому дуализму, вопреки буквальному смыслу слова “дуализм”, была преодолена противоположность между двумя ранее признававшимися формами существования материи: веществом и полем.

Ярким примером проявления корпускулярно-волнового дуализма служат опыты с электронами, в которых у последних наблюдаются, с одной стороны, типичные корпускулярные свойства (электроны) обнаруживают при столкновениях определенную энергию и импульс, имеют траекторию движения и сместе с тем волновые свойства (подтверждаются диффракции; дают интерференционную картину). В отличие от движения классических (более крупных) частиц для движения, микрочастицы не могут быть одновременно определены координата и импульс: это так называемый “принцип неопределенности”. Он тесно связан с другим, более широким принципом: с принципом дополнительности, согласно которому для познания явлений в их целостности необходимо применение взаимоисключающих (взаимно “дополнительных”) классов понятий. Для микрочастиц такими дополнительными понятиями как раз и являются понятия импульса и координаты, или понятия волны и частицы. Идея дополнительности далеко выходит за пределы физики: например, в концепции естественного отбора дополнительны друг другу внутренние (изменчивость генома) и внешние (влияние среды) факторы, в психологии - детерминизм и свобода.

К концу XIX столетия классическое естествознание, которое как раз к этому времени сложилось в целостную и относительную законченную систему знаний о природе и ее законах, давшую возможность описывать и объяснять, казалось бы, любые феномены на основе принципов (1) детерминизма (учения о всеобщей детерминированности), (2) единства закономерностей поведения объектов микро - и макромира, а также (3) сведения высших уровней организации к низшим. Считалось, например, что биологические и даже психологические явления со временем будут сведены к химическим и физическим, а поведение любой сколь угодно сложной системы можно будет вычислить на будущее, если заданы начальные условия.

В основе сложившегося, таким образом, к концу XIX в. классического естествознания - и прежде всего, его наиболее законченной части, механики и физики, - лежала, как было сказано, механистическая жестко детерминистская картина мира и редукционизм (учение о всеобщем значении принципа редукции) как ее важная предпосылка. Осталось несколько аномалий, т.е. фактов несомненных, но не поддававшихся объяснению при имевшемся концептуальном аппарате: прежде всего, несогласованность электродинамики Максвелла с ньютоновской механикой, - несогласованность, которую пытались устранить допущением единой мировой среды, эфира, но эта гипотеза вела к еще большим трудностям и противоречила экспериментальным данным. Далее, не удавалось объяснить отклонение лучей света от прямой траектории при их прохождении около Солнца и некоторые неправильности (по сравнению с тем, что должно было следовать из вычислений), наблюдаемые в годичных смещениях перигелия Меркурия.

Однако по сравнению с бесчисленным множеством явлений, вполне удовлетворительно разъясненных классическим естествознанием, оставшиеся аномалии (заметим, что в XX в. они были разъяснены теорией относительности А. Эйнштейна, см.2.4.3 и 2.4.4) не представлялись особенно важными. Не угасала надежда на их устранение в ходе дальнейшего прогресса классического естествознания.

К тому же в течение всего времени своего формирования (условно - до середины XIX в) и господства (вторая половина XIX в.) классическое естествознание многократно подкреплялось данными практики. Вся техника и промышленность девятнадцатого, в значительной мере и двадцатого века была основана на полученном классической физикой теоретическом и экспериментальном знании, в частности, о свойствах главных для XVIII - первой половины XIX в. (пар) и для последующего периода (электричество) видах энергии.

Наука превратилась к концу XIX в. в социальный институт и неотъемлемую часть культуры всех развитых стран, стала (особенно это касается естествознания) одной из важнейших производительных сил. Отрицательные последствия науки (для экологии, в плане создания средств массового уничтожения и т.п.) еще не выглядели чет-то опасным, и сциентизм (надежда на науку как средство решения всех социальных проблем) был распространенной формой идеологии. По сравнению со всеми остальными социальными сферами и институтами, естествознание выступило как нечто наиболее прогрессивное и прогрессирующее. Казалось, что дальнейшая достройка огромного здания естественных наук будет заключаться лишь в выяснении второстепенных деталей и во все новых и новых прикладных приложениях классического естествознания, само же оно остается неоспоримым. Тем не менее на рубеже XIX и XX вв. ситуация изменилась, что привело к формированию современного естествознания, которое по отношению к классическому (или как иначе говорят, ньютоно-линнеевскому) часто называют неклассическим или постклассическим.

Двадцатый век начался с появления совершенно новой трактовки физической реальности - с создания А. Эйнштейном (1879-1955) теории относительности. Прежде всего он разработал ее применительно к кардинальным для физики категориям пространства и времени (1905). Это была так называемая специальная теория относительности (СТО). В ней пространство и время потеряли свой абсолютный характер, не подвергавшийся после Ньютона сомнению, и были заменены единым целым - “пространством-временем”, зависящим от системы отсчета, по отношению к которой оно определено. Все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны в отношении всех физических явлений и процессов, причем свет распространяется относительно всех ИСО с одинаковой скоростью с, каковая представляет собой наивысшую возможную скорость (скорость света в вакууме). Относительны даже такие свойства событий, как одновременность и последовательность во времени: одновременные в одной ИСО события могут оказываться неодновременными в другой. Получила свое обоснование эквивалентность инертной и гравитационной масс, принимавшаяся в классической механике просто как факт. Понятие массы потеряло свою независимость от энергии и скорости, как было у Ньютона. Формула E=mc2 определяет энергию, связанную с данной массой m и пропорциональную ей; фиксируемые этим соотношениям количества энергии действительно освобождаются при ядерных реакциях и взрывах атомных бомб.

Предметом СТО является описание распространения света и других электромагнитных излучений (и соответствующих им полей) в ИСО. Согласно СТО, теория электромагнитного поля не требует допущения эфира или иной среды и оказывается непротиворечивой при признании независимости скорости света от системы отсчета. Эта же скорость (с) является предельной для передачи любых сигналов и взаимодействий. Электромагнитное поле в пустоте стало рассматриваться как новый вид физического объекта (ранее предполагалось, что поле нуждается в носителе - эфире). В трудах А.Х. Комптона и других ученых, начиная с 10-30-х годов, была выявлена связь релятивистских (т.е. относящихся к теории относительности) постулатов и квантовой электродинамики в рамках теории электромагнитного поля.

Согласно СТО, событие А в какой-либо ИСО, являющееся причиной события В, для наблюдателя из некоторой другой ИСО вполне может выглядеть, наоборот, как следствие этого события В. Однако такого рода парадоксы могут приобрести практическое значение только при скоростях, близких к с, а в более привычных для экспериментаторов условиях сохраняют все свое значение классические кинематика, динамика и статика.

Больше того, некоторые положения классической физики получили в СТО дополнительное и более общее обоснование. Основоположения СТО подразумевают, как и классическая физика, что пространство является евклидовым; вместе с тем физика освобождается от постулатов об абсолютном характере пространства и времени, а все измерения привязываются к чисто эмпирически данным ИСО.

Значительно дальше (про сравнению со СТО) отошла от классической физики созданная Эйнштейном на более позднем этапе его деятельности общая теория относительности (ОТО). В ней пространство уже не является евклидовым, т.е. пространством нулевой кривизны, но связывается с распределением и движением масс показателем кривизны: структура пространства - времени определяются, согласно ОТО, перемещением масс материи, включает в себя поле тяготения и этим отличается от однородной структуры пространства и времени в СТО. Тело, движущееся по инерции, искривляет свое движение под влиянием других (удаленных от него) тел: согласно классической физике, это влияние есть воздействие сил тяготения. Согласно ОТО, напротив, оно есть результат неоднородности, “неевклидовости" пространства - времени, гипотеза же дальнодействия оказывается излишней, а поле тяготения отождествляется с геометрическими свойствами пространства. До создания ОТО закон тяготения никак не был связан с законами механики: например, у Ньютона он, как известно, формируется вне связи с тремя его началами (принципами, законами Ньютона - об инерционном движении, о силе F=ma и о противодействии) и как нечто взятое из опыта и не выводимое из этих начал. Астрономические наблюдения подтвердили большую точность ОТО по сравнению с ньютоновским законом тяготения; в частности, подтвердилось требуемое ОТО влияние тяготения на частоту и распространение световых лучей (вспомним, что факт такого влияния, обнаруживаемого вблизи Солнца, был одной из аномалий, ослабивших в конце XIX в. позиции классического естествознания). Сила тяготения, согласно ОТО, есть определенное состояние пространства - времени, а гравитационные волны - “волны пространства-времени” или “волны в пространстве-времени”. ОТО фиксирует отличие априорной, математической геометрии от геометрии физических тел, всегда нуждающейся в экспериментальной проверке. В контексте теории относительности по-новому поставлен и решен вопрос о соотношении инертной и гравитационной массы.

Как видно из сказанного, теория относительности поставила перед естествознанием новые задачи, в частности, проблему реальности гравитационного излучения, несущего энергию, и соответственно гравитационных волн (волн тяготения). Намечаются также задачи истолковать в геометризованном духе не только гравитационное, но и другие виды полей; разработать ОТО применительно к миру элементарных частиц; и т.д. Экспериментально давно было установлено, что обе массы эквивалентны друг другу с точностью до некоторого постоянного соотношения между измеряющими их единицами. В плане ОТО эта эквивалентность означает эквивалентность инерционных и гравитационных полей.

Инертная масса m определяется ньютоновским соотношением F=mа и служит мерой инерции тела: чем больше инертная масса тела, тем меньше ускорение (под действием одной и той же силы) оно приобретает, иными словами, тем больше его инерция. Но вместе с тем масса выступает как источник поля тяготения и с этой точки зрения определяется уже рассмотренной нами в разделе 2.2.1 формулой где r - расстояние между двумя взаимно притягивающимися телами, m1 и m2 - их массы, G - гравитационная постоянная. В этом смысле, т.е. как источник тяготения массу называют гравитационной.

Вообще говоря, теоретически (в рамках классической физики) можно представить себе, что инертная и гравитационная массы не находятся ни в каком определенном соотношении и даже не взаимосвязаны. Однако опыт с очень высокой степенью точности показывает, что они эквивалентны, т.е. при соответствующем подборе единиц измерения оказываются равными. Собственно именно благодаря этой эквивалентности мы и можем определять массу тела взвешиванием. Если в рамках классической механики эквивалентность гравитационной и инертной масс выглядит чисто эмпирическим фактором, то в теории относительности этот факт получил теоретическое объяснение. Оно заключается в “распространении принципа относительности на системы координат, движущиеся неравномерно друг относительно друга. Действительно, такая концепция приводит нас к признанию единства инерции и тяготения; в зависимости от того, каким образом мы их рассматриваем, одни и те же силы могут представляться находящимися под действием только сил инерции или под совместным действием как сил инерции, так и тяготения … Возможность объяснить численное равенство между инерцией и тяготением на основе единства их природы доставляет общей теории относительности столь большое превосходство над представлениями классической механики, что все трудности, с которыми она сталкивается в своем развитии, следует по сравнению с этим считать незначительными" (А. Эйнштейн. Сущность теории относительности. М., 1955, с.54-55).

Одним из отличий постклассических представлений от более ранней физики является изменившаяся картина материи. В основе этой картины в XX в. лежит идея элементарной частицы как далее неделимой структуры. К концу столетия стало общепризнанным, что самое свойство “неделимости” не так очевидно, как думали ранее. Если элементарные частицы и не делятся на части, то они в очень широких пределах друг в друга превращаются. Но в течение большей части XX в. в сознании ученых элементарные частицы были носителями свойства “неделимости” подобно тому, как раньше это свойство приписывали атомам. Что же касается атомов элементов, то они конечно, уже не были в понимании XX в., как для античных мыслителей или для ученых XVII-XIX вв., чем-то неделимым, но мыслилась как состоящая из частей: из электронов и ядра, которое в свою очередь включает в свой состав ряд элементарных частиц.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7