Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в классическом и неклассическом естествознании

Становление классического, а в значительной мере и неклассического естествознания явно связано с процессом становления, развития и смены физических картин мира. В современном естествознании принято выделять механистическую, электромагнитную и квантово-полевую картины мира, которые задали классическую и неклассическую стратегии естественнонаучного мышления (см. схему 15) и определили физический идеал научности классического и неклассического естествознания.

Становление эпохи механистического естествознания связывают с гелиоцентрической картиной мира (Н. Коперник). Важную роль сыграл научный метод теоретической физики, выдвинутый Г. Галилеем, «который состоит в том, чтобы с помощью идеализаций выразить сущностную основу физических процессов и взаимодействий, используя конструктивные теоретические модели, изобразить в теории структуру сущностных связей и отношений природы»; способ действия самой природы.

Идея о том, что мир- это движущая материя, была господствующей в то время. Французский ученый Р.Декарт говорил: «Дайте мне материю и движение, и я построю весь мир».

Первый рабочий чертеж новой картины мира выполнил И. Кеплер. В книге «Новая астрономия» в 1607 г. он привел два своих закона движения планет:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади..

3. В 1618 г. Кеплер обнародовал третий закон планетных движений: Квадраты периодов обращения любых двух планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их эллиптических орбит.

Решающий же шаг в понимании причин этого порядка сделал И. Ньютон. В основном своём труде «Математические начала натуральной философии», опубликованном в 1687г., И. Ньютон в чрезвычайно лаконичной форме обобщил весь предшествующий опыт человечества в изучении движений в понятии механического движения. Оформилась механистическая картина мира (см. схему 18), вклад в которую вносили многие ученые, создав как аналитическую (Л. Эйлер, Ж. Лагранж, У. Гамильтон и др.), так и небесную (П. Лаплас и др.) механику. В рамках просветительско-понятийной парадигмы движения механистическая картина мира стала ядром научно-исследовательской программы классического естествознания.

Схема 18. Механистическая картина мира. (XVII-XVIII вв.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v Корпускулярная (атомистическая) концепция описания природы оформляется в научную парадигму движения И. Ньютона; v Материя - вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул; v Движение - простое механическое перемещение корпускул (частиц) и тел друг относительно друга; v Пространство и время абсолютны и независимы друг от друга; физическое поле (эфир) - вспомогательное понятие; v Масса - мера инертности и гравитации; v Сила как характеристика «контролируемого» воздействия на тело (частицу) и «контролируемого» взаимодействия между телами. v Оформляются классические представления о гравитационном и электромагнитном взаимодействиях на основе закона всемирного тяготения И. Ньютона и основного закона электростатического взаимодействия Ш. Кулона; v Детерминизм Лапласа, охвативший однозначную определенность выводов всего классического естествознания: «Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором» v Закон всемирного тяготения: «Любые два точечных тела притягиваются друг к другу с силой F, прямо пропорциональной произведению их масс и и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: .

v Принцип относительности Галилея: «Все механические явления в инерциальных системах отсчета (ИСО) протекают одинаково»; v Принцип дальнодействия: считалось, что физические воздействия в принципе могут распространяться из одного места пространства в другие места мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью; v Принцип механического редукционизма - тенденция сведения закономерностей всех форм движения к законам механики; v 1-й закон Ньютона: «Тело (частица) сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния, система отсчета, в которой выполняются законы Ньютона, называется инерциальной»; v 2-й закон Ньютона: «Равнодействующая всех сил (т.е. векторная сумма всех сил), приложенная к данной частице (телу) равна производной от её импульса по времени»: ; v 3-й закон Ньютона: «Взаимодействующие тела (частицы) действуют друг на друга с одинаковыми по величине, но противоположными по направлению силами»: ; v Закон Кулона: «Сила взаимодействия между двумя точечными заряженными телами прямо пропорциональна произведению их зарядов и и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: .

Следующим этапом в познании материи, движения и взаимодействия явилась электродинамика М. Фарадея и Дж. Максвелла, на создание которой повлияли идеи взаимодействия континуализма и динамизма. Классическая электродинамика- это теория электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами, как неподвижными, так и равномерно и ускоренно движущимися. Электромагнитные волны, т.е. распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью (скоростью света) электромагнитные колебания, обусловили реализацию информационно-коммуникативного взаимодействия всего человечества. Оформилась электромагнитная картина мира (см. схему 19), которая способствовала становлению релятивистской исследовательской программы и зарождению неклассического естествознания.

Схема 19. Электромагнитная картина мира. (XIXв.- начало XXв.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v Материя - единое непрерывное поле с точечными силовыми - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Континуальность материального физического поля и корпускулярность вещественной субстанции; v Движение - распространение колебаний в поле, которое описывается законами электродинамики. Одновременно сохраняется и понятие классического механического движения тел и частиц, в том числе и имеющих электрический заряд; v Объединение электрических и магнитных сил в единое электромагнитное взаимодействие; v Непрерывность детерминированных причинно-следственных связей; v Масса - мера инертности, гравитации и полной энергии тела; v Электрический заряд - скалярная физическая величина, характеризующая способность тел к электромагнитному взаимодействию; v Электромагнитные волны - это поперечные по отношению к направлению распространения волны электромагнитные колебания векторов и . Их материальность и объективность лежит в основе всех радио-, теле- и интернет-коммуникаций. v В электромагнитную картину мира было введено понятие вероятности. v Электронная теория Х. Лоренца восстанавливает атомистичность через дискретные электрические заряды, при этом она сохраняет и поле как объективную реальность.

v Принцип относительности А. Эйнштейна в специальной теории относительности (СТО): «Все физические явления в инерциальных системах отсчета (ИСО) протекают одинаково»; v Принцип инвариантности скорости света в вакууме: «Скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО, т.е. является универсальной постоянной передачи взаимодействия (информации); v Принцип соответствия между механикой и электродинамикой в рамках динамических закономерностей (теорий). Становление статистических закономерностей (теорий) равновесного теплового макросостояния; v Обобщенная сила Лоренца: , т.е. сила, которой оценивают механическое «контролируемое» воздействие электромагнитного поля на помещенные в него заряженные частицы; v Уравнения Максвелла: «Математическая формулировка единой теории электромагнитного поля, связанного с произвольной системой зарядов и токов, а также со способностью распространяться в форме электромагнитных волн, как в среде, так и в вакууме». v Электромагнитное поле - единая объективная реальность, а электричество и магнетизм – не более чем удачный приём описания этой реальности; v Концепция близкодействия: «Электромагнитное поле - переносчик электромагнитного взаимодействия».

Механическая и электромагнитная картины Мира, как мы уже отмечали, взаимосвязаны с классической стратегией естественнонаучного мышления (см. схему 15) и предопределили мозаичность образа Мира в классическом естествознании.

Однако, уже в электромагнитной картине мира наблюдается кризис классического естествознания и появляются ростки неклассического естествознания в статистических законах макросостояния, в трактовке различных форм движения на основе концепции близкодействия, т.е. наличия переносчиков различных форм взаимодействия, а также в теории относительности. Теория относительности пересмотрела концепцию абсолютного пространства и времени, а понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.

Неклассическая стратегия естественнонаучного мышления (см. схему 15) и соответственно новые представления о материи, движении и взаимодействии окончательно оформились в квантово-полевой картине Мира (см. схему 20), которая стала рассматривать в единстве корпускулярные и волновые свойства материи, все физико-химические формы движений и фундаментальные физические взаимодействия.

Схема 20. Квантово-полевая картина Мира. (XXв.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v Корпускулярно-волновой дуализм: «Каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы». При этом исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Выделяют фундаментальные микрочастицы: кварки, лептоны, кванты (переносчики) полей взаимодействия. Характерной особенностью является взаимопревращаемость квантовых частиц, виртуальные частицы и античастицы; v Движение - частный случай физического взаимодействия. Закономерности и причинности квантово-механического движения выступают в вероятностной форме, в виде статистических закономерностей (теорий); v Выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное; v «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её».

v Принцип соответствия Н. Бора, согласно которому теория квантово-механического движения включает в себя как частный, предельный случай классическую механику и электродинамику; v Принцип (соотношения) неопределенности В. Гейзенберга: и , приведший к формулировке принципа дополнительности Н. Бора; v Принцип дополнительности: «Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих состояние микрообъекта, неизбежно приводит к потере информации о других физических величинах, дополнительных к первым»; v Две фундаментальные модели состояния объектов: квантово-динамическая или микросостояние и термодинамическая или макросостояние. v Абстрактно-математическим выражением корпускулярно-волнового дуализма материи являются формулы М. Планка ( ) и де Бройля ( ); v Принцип квантования энергии сформулирован в постулатах Н. Бора. Квантово-механическое описание микросостояния задаётся в понятии волновой функции ψ и рассматривается обычно с помощью уравнения Э. Шредингера.

Несмотря на то, что классическое и в значительной мере неклассическое естествознание опираются на методологический рационализм физики и физический стандарт доказал свою эвристичность при создании многих теорий современной науки, стремление придать ему всеобщий характер вызывает законные возражения. Так, возникают серьёзные трудности при распространении этого стандарта на биологическое знание. Ещё более серьёзные трудности возникают при распространении этого стандарта на социально-гуманитарное знание. Материалистическая диалектика в лице Ф. Энгельса (1820-1895) даёт классификацию форм движения материи (механическое, физическое, химическое, биологическое, социальное). Эти формы движения являются предметом изучения разных наук. Сами же науки Энгельс подразделяет на три группы: науки о неживой природе, науки, изучающие живые организмы, и исторические науки.

Классификацию форм движения материи существенно модифицировал Б.М. Кедров с учетом научных открытий XX века. В его классификации механическое движение не представляет собой особой формы движения (как у Энгельса), а выступает одним из видов физического движения в макромире. В микромире действуют другие процессы: квантово-механические. Квантово-механическое движение действует не только в физической, но и в химической форме движения материи. Кроме того, Б.М. Кедров выдвинул идею о наличии геологической формы движения, действующей на уровне космических процессов.

В настоящее время возникает вопрос о возможности использования методологического рационализма, оформившегося в современной физике, для науки в целом и прежде всего в постнеклассическом естествознании.