Тема 3. Физическая картина мира

Физика (от греч. physis–природа) - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Физическая картина мира в самом общем смысле представляет собой физическую модель природы, включающую в себя:

- основополагающие философские и физические идеи

- фундаментальные физические теории

- основные принципы, законы и понятия

- принципы и методы познания

Физическая картина мира, с одной стороны, есть обобщение всех ранее полученных знаний о природе и определенная ступень познания человеком материального мира и его закономерностей, а с другой – вводит в физику новые основополагающие идеи, принципы, понятия и гипотезы, которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания, и тогда одна физическая картина мира заменяется другой.

Смена физической картины мира, как правило, связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым, континуальным, а затем к квантовым. Отсюда и три физических картины мира: механистическая, электромагнитная и квантово-полевая.

Механистическая картина мира.

Основоположники: механика Леонардо да Винчи (1452-1519), гелиоцентрическая система Н. Коперника (1473-1543), экспериментальное естествознание Г. Галилея (1564-1642), законы небесной механики И. Кеплера (1571-1630), механика И. Ньютона (1643-1727).

Основные положения:

1. Корпускулярная модель реальности: материя – вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул; атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

2. Концепция абсолютного пространства и времени.

3. Движение – простое механическое перемещение. Законы движения – фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения есть действие на их внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей.

4. Принцип дальнодействия – взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

5. Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Детерминизм (лат. determino – определяю) – учение о закономерной универсальной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений объективной действительности. Случайность исключается из данной картины мира.

6. Тенденция сведения закономерностей высших форм движения материи к закономерностям простейшей его формы – механическому движению.

7. Использование динамических законов. Динамический закон – физический закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний.

Электромагнитная картина мира.

Основоположники: начала электромагнетизма М.Фарадея (1791-1867), теория электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879), электронная теория Г.А. Лоренца (1853-1928), постулаты теории относительности А. Эйнштейна (1879 - 1955).

Основные положения:

1. Континуальная модель реальности: материя – едино непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем, а мир понимается как электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

2. Введено понятие вероятности.

3. Движение – распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики.

4. Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

5. Реляционная концепция пространства и времени.

Квантово-полевая картина мира.

Основоположники: квантовая гипотеза М. Планка (1858-1947), волновая механика Э. Шредингера (1887-1961), квантовая механика В. Гейзенберга (1901-1976), квантовая теория Н. Бора (1885 - 1962).

Основные положения:

1. Квантово-полевые представления о материи, где последняя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы.

2. Картина физической реальности в квантовой механике двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта; с другой стороны – условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик.

3. При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы.

4. Движение – частный случай физического взаимодействия. Под физическим взаимодействием в узком смысле слова, понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.

5. Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности. Принцип дополнительности был сформулирован Н. Бором в 1927 г., который заключается в том, что в области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы выражаются с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другого. Этот принцип применяется практически во всех областях науки и методах, изучающих неживую и живую природу, человека, общество.

Принцип неопределенности был сформулирован В. Гейзенбергом, который заключается в том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Микрочастица не может иметь одновременно координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию?x??p ≥ h,

где h – постоянная Планка,

т.е. произведение этих неопределенностей не может быть меньше h.

6. Квантово-полевые представления о закономерности и причинности предполагают оперирование статистическими законами. Статистический закон – это физический закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении.

Современная физическая картина мира.

1. Современные представления о строении материи предполагают в ее основе шестнадцать фундаментальных частиц и античастиц:

- четыре лептона (электрон, позитрон, электронное нейтрино и антинейтрино);

- два вида кварков с дробными электрическими зарядами (-1/3) и (+2/3), причем каждый вид в трех разновидностях (красный, зеленый и синий);

- соответствующие антикварки.

2. Многообразие и единство мира основывается на взаимодействии и взаимопревращении фундаментальных частиц и античастиц.

3. Движение есть проявление фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного), переносчиками которых являются фотоны, глюоны и промежуточные бозоны.

Таблица 7

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Тип взаимо-действия	Источник	Константа взаимо-действия	Радиус действия (м)	Частицы – переносчи-ки взаимо-действия
Гравита-ционное	Масса	10-38	∞
Электро-магнитное	Электри-чески заряжен-ные частицы	10-2	∞	фотон
Сильное	Частицы, входящие в состав ядер (протоны, нейтроны)		10-15	глюоны
Слабое	Элемен-тарные частицы	10-14	10-18	векторные бозоны W-, W+, Z0

4. Представления об основе мироздании складываются на основе разработки единой теории поля, объединяющей все фундаментальные взаимодействия (теории «Великого объединении», теории «Сверхвеликого объединения»).

5. Природа рассматривается в движении и развитии. В физике используется диалектический метод, когда вещество и поле, частица и волна, масса и энергия и т.д. рассматриваются в диалектическом единстве.

6. Принципиальные особенности современных представлений о мире: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность – определяют их общий контур и способ организации научного знания.

7. Современные представления характеризуются как научно-методологические, ибо объективная картина мира опосредуется методом познания субъекта.

Физическая реальность имеет определенную структуру:

1. Мегамир – мир больших космических масштабов и скоростей; пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время измеряется в миллионах и миллиардах лет.

2. Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле; пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах; время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.

3. Микромир – мир микрообъектов, предельно малых масштабов, пространственные характеристики исчисляются от 10^-8 до 10 ^-16 см, время измеряется от бесконечности до 10^-24 см.

План семинара

1. Эволюция основных физических парадигм:

1.1 механистическая картина мира;

1.2 электромагнитная картина мира;

1.3 квантово-полевая картина мира.

2. Понятие физического закона. Динамические и статистические закономерности, их специфика.

3. Физическая реальность и ее структура. Микро-, макро- мега уровни физической реальности, их специфика и взаимосвязь.

4. Вещество и поле – основные состояния вещества. Прерывность и непрерывность в классической и неклассической физике.

5. Физические взаимодействия. Концепции близко- и дальнодействия. Основные типы физических взаимодействий.

Примерные вопросы для повторения и самопроверки

1. Почему физику называют фундаментальной наукой?

2. Какую роль играют физические взаимодействия в образовании новых структур?

3. Какие два подхода существуют в настоящее время для описания мира? Почему возникает необходимость гармонизации этих подходов и холизма в современном естествознании?

4. Что такое физический закон? Чем отличается динамические закономерности от статистических?