Лекции 2,3. Физические концепции описания природы

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Период становления естествознания относится к VII–IV вв. до н.э. и связан с греческой натурфилософией, в нем вырабатываются общие точки зрения на окружающий мир, ставятся вопросы о природе материи и духа, законах развития материального мира, о природе пространства и времени, движения и света. Возникают такие натурфилософские концепции, как атомистика Левкиппа–Демокрита и натурфилософия Аристотеля, они по сути, обобщили античную натурфилософию и сформулировали две принципиально различные концепции взглядов на строение материи и развитие материального мира: так называемые корпускулярную (Демокрит) и континуальную (Аристотель) концепции описания природы.

По Демокриту, материя состоит из вещества; вещество состоит из атомов-корпускул и пустоты; атомы находятся в постоянном движении; атомы вечны, неизменны, неделимы и отличаются друг от друга лишь величиной и формой.

По Аристотелю, мир материален, но объективно существуют конкретные вещи (предметы), а материя – некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы. Реальные тела можно дробить непрерывно, до бесконечности. Синонимом непрерывности является континуальность. По Аристотелю, материя непрерывна (континуальна) и «природа не терпит пустоты».

Две выдвинутые концепции на природу материи, по существу, определили всю дальнейшую историю развития естествознания более чем на двухтысячелетний период, вплоть до XX в.

Корпускулярно-волновой дуализм. Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. И. Ньютон считал, что свет представляет собой поток частиц-корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, в частности, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении других оптических явлений как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света, которые, напротив, легко было объяснить, исходя из того, что свет – волновое движение через некоторое необычное вещество – «эфир».

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Максвелл, который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. То есть была открыта новая материальная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. что материя предстается в виде двух форм – вещественной и полевой с существенно разнымисвойствами, вещественная находит объяснение в корпускулярной, а полевая – в континуальной концепции.

Начало XX в. ознаменовалось открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта Л. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна. При рассмотрении электромагнитного поля возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме. Причем при больших длинах волн электромагнитного излучения в большей мере проявляются непрерывные (континуальные) волновые свойства света, а при малых (рентгеновские и γ –лучи) – дискретные (корпускулярные), квантовые свойства. Физика начала XX в. открыла диалектическое единство двух противоположностей – частиц и волн.

Луи де Бройль, опираясь на законы симметрии в природе в 1923 г. выдвинул идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, – электроны, протоны и т.д., предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импульсом, энергией) обладают также волновыми свойствами (частотой ω и длиной волны λ). Причем так же, как и для фотонов, энергия (Е) и импульс (р) частиц вычисляются по формулам: Е = hω, p = h / λ.

Откуда для так называемой длины волны де Бройля было получено выражение λ = h/p. Вскоре гипотеза де Бройля нашла экспериментальное подтверждение, когда К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристаллах, т.е. доказали существование волновых свойств у частиц – электронов. Оказалось, что наличие волновых свойств у микрочастиц-корпускул – это универсальное явление, общее свойство материи.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира–квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций − вещества и полей и, в конечном счете, свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон–позитрон, протон–антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы).

Э Шредингер в 1926 г. получил свое знаменитое уравнение, сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой «пси» (ψ). Согласно М. Борну, квадрат модуля пси-функции в пределах некоторого объема определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах этого объема. Вид функции получается из решения уравнения Шредингера, которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики.Уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывает форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул.

Волновая природа частиц отражается и в соотношениях неопределенностей, полученных в 1927 г. Гейзенбергом – ∆х∆р ≥ h/2, ∆E∆t ≥ h/2, где ∆х – неопределенность координат, ∆р – неопределенность импульса, ∆Е – неопределенность энергии и ∆t – неопределенность времени.