Курс лекций по дисциплине "СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА"

СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

Человеку всегда было свойственно описывать окружающий мир, изучать и представлять его строение, рассказывать о своих представлениях об окружающем мире другим людям.

Под научной картиной мира понимается целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественно-научных понятий и принципов.

Общая научная картина мира складывается в результате синтеза знаний, получаемых различными науками, и содержит общие представления о мире, вырабатываемые на различных стадиях исторического развития науки. Общая научная картина мира включает представления о природе и обществе.

Естественно-научной картиной мира называется часть общей научной картины мира, которая включает в себя представления о природе.

Создание единой естественно-научной картины мира предполагает установление связей между науками. В структуре конкретных наук в их главных компонентах выражена собственная целостная картина природы, которая называется специальной (или локальной) картиной мира. Эти картины являются в какой-то степени фрагментами окружающего мира, которые изучаются методами данной науки (например, биологическая картина мира, химическая картина мира, физическая картина мира). Такие картины часто рассматривают как относительно самостоятельные фрагменты единой научной картины мира.

Мы уже говорили, что научное знание представляет собой огромную массу взаимодействующих между собой элементов знаний. Существуют самые разнообразные формы описания этого взаимодействия слоев научных знаний.

В рамках картин мира осуществляется систематизация знаний соответствующей науки (или группы наук), они являются наглядным воплощением системы взаимодействующих элементов знаний - теорий (фундаментальных и прикладных), которые представляют собой развитые системы научных понятий и связей между ними.

В рамки картин мира вписываются известные научные факты. Картины мира обеспечивают целостность научной отрасли (науки), формируют нам методы научного познания и определяют стратегию научного поиска, ставят задачи эмпирических и теоретических исследований, наглядно отображают их результаты.

Итак, различают:

· общенаучную картину мира, которая выступает как форма систематизации знаний, вырабатываемых в естественных и гуманитарных науках;

· естественно-научную картину мира (картину природы);

· социально-историческую картину мира (картину общества);

· специальные (локальные) картины мира отдельных научных отраслей (физическую, химическую, биологическую, астрономическую, политическую, экономическую, демографическую и т.д.).

Самые первые картины мира были разработаны в рамках античной философии и носили натурфилософский характер.

Подлинно научные картины мира возникают в XVI-XII вв.

Раньше других возникла физическая картина мира как общая теоретическая основа для всех наук о неживой природе.

Биологическая картина мира в качестве теоретической основы наук о живой природе возникла лишь в XIX веке.

Биологические науки долгое время были чрезвычайно обособлены друг от друга, менее взаимосвязаны, чем группа физико-химических наук. Объединение биологических наук произошло вместе с введением Ч. Дарвином основных понятий современной биологии (приспособление, наследственность и изменчивость, естественный отбор, борьба за существование, эволюция и др.). На их основе строится единая картина биологических явлений, связывающая все науки о природе в одну область наук и дающая возможность построения законченных биологических теорий.

Ядром единой естественно-научной картины мира в целом является физическая картина мира, поскольку физика является фундаментальным базисом современного миропонимания. Многовековое развитие физики привело к созданию целостной естественно-научной картины нашего мира и его развития.

Некоторые современные исследователи берут за основу построения развивающейся естественнонаучной картины мира такую категорию, как информация. По их мнению, мы переживаем этап становления новой информационной картины мира, которая позволяет наглядно и целостно представить всеобщие связи и взаимообусловленность явлений в процессе исторического развития.

Картины мира мыслителей древности

Самые первые, донаучные, представления древних об устройстве мира кажутся нам сейчас порой нелепыми и наивными (см., например, рис.5.27.1). «Черепаха и слоны», на которых покоится мир, а также «три кита» до сих считаются нами, хотя и в переносном смысле, очень надежным и устойчивым основанием для чего-либо.

Но не это главное. Важным является то, что с самого зарождения науки ученые стремились к единому и точному знанию, пытаясь свести многообразие явлений окружающего мира к нескольким простым исходным принципам.

В античных космогонических мифах неизменно присутствуют идеи о генетическом единстве мира, родившегося в результате упорядочения первобытного хаоса.

Кто же они - люди, заговорившие строгим языком науки об устройстве мира? Многих имен мы не знаем, сведение я многих ученых можно найти лишь в специальной исторической литературе. Но наиболее известные имена мы сейчас назовем.

Фалес Милетский (ок. 625 - ок. 547 до н. э.), древнегреческий мыслитель, родоначальник античной философии и науки, основатель милетской школы, возводил всё многообразие явлений и вещей к единой первостихии - воде.

Анаксимандр (ок. 610 - после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель милетской школы, автор первого философского сочинения на греческом языке «О природе», ученик Фалеса, первоначалом всего считал «апейрон», некую неопределённую и бесконечную субстанцию. Он создал геоцентрическую модель космоса, первую географическую карту, высказал идею о происхождении человека «от животного другого вида» (рыб).

Анаксимен (6 в. до н. э.), древнегреческий философ, представитель милетской школы, ученик Анаксимандра, первоначалом всего считал воздух, из сгущения и разрежения которого возникают все вещи.

Гераклит Эфесский (конец 6 - начало 5 вв. до н. э.), древнегреческий философ, представитель ионийской школы, считал первоначалом всего сущего -- мировой огонь, который есть также душа и разум (логос); путем сгущения из огня возникают все вещи, путем разрежения в него возвращаются. Он высказал также великую идею непрерывного изменения, становления (все течёт, всё изменяется, в одну реку нельзя войти дважды, на входящего каждый раз набегают новые воды). Противоположности пребывают в вечной борьбе, но не исключают друг друга, образуя вместе гармонию мира.

Однако позднее религиозно-мифические идеи начинают утрачивать свое значение, а рассуждения об устройстве мира приобретают более рациональную интерпретацию. Фундаментом науки античности является принцип единства природы и человека, но всеобщая связь явлений в ней не доказывается в подробностях, эта всеобщая связь является результатом непосредственного наблюдения.

На одно из первых мест ставится задача научного осмысления мира, раскрытие сущности природных явлений, изменчивости и единства. Зарождение науки здесь связывается с переходом от мифологического мышления к логико-теоретическому стилю мышления.

Постепенно в рамках единства философского, религиозного и научно-теоретического мышления сформировались различные научные направления:

атомистическое (Левкипп, Демокрит, Эпикур);

математическое (Платон и Пифагор);

континуалистическое (Анаксагор, Аристотель).

Во всех направлениях, несмотря на их различия, мир понимался и рассматривался как целое, а глубокое единство природы и природных явлений определяло единые пути познания.

Попыткой объяснить на основе представлений о дискретном строении сущего все явления и процессы природы был атомизм Левкиппа-Демокрита. Концепция атомизма, между тем, на протяжении многих веков в различных вариантах служила ориентиром в исследовании строения материи. В бесконечном разнообразии мира античными атомистами было вычленено удивительным образом в конкретной форме его фундаментальное единство.

Левкипп (5 в. до н. э.), древнегреческий философ, один из создателей античной атомистики, был учителем Демокрита. Демокрит (ок. 470 или 460 до н. э. - умер в глубокой старости) из Абдер (Фракия) утверждал, что существуют только атомы и пустота. Атомы - неделимые материальные элементы (геометрические тела, «фигуры»), вечные, неразрушимые, непроницаемые, они различаются формой, положением в пустоте, величиной, движутся в различных направлениях, из их «вихря» образуются как отдельные тела, так и все бесчисленные миры, они невидимы для человека, истечения из них, действуя на органы чувств, вызывают ощущения.

Эпикур (341-270 до н. э., древнегреческий философ, с 306 жил в Афинах, основатель философской школы) делил философию на физику (учение о природе), канонику (учение о познании) и этику. В физике Эпикур следовал атомистике Демокрита и пропагандировал его. Тит Лукреций Кар (Titus Lucretius Carus, римский поэт и философ I века до н. э.) в дидактической поэме «О природе вещей», единственном полностью сохранившемся систематическом изложении материалистической философии древности, популяризирует учение Эпикура.

Становлению математических концепций в научных исследованиях способствовало логико-теоретическое развитие Платоном (428 или 427 до н. э. - 348 или 347, древнегреческий философ, ученик Сократа, около 387 г. основал в Афинах школу - Платоновскую Академию) учения пифагорейцев о том, что «все есть число», а мир объясняется едиными законами чисел. И здесь единство природы находило свое отражение в единстве знаний о ней.

Пифагор Самосский (6 в. до н. э.), древнегреческий философ, религиозный и политический деятель, основатель пифагореизма, математик, которому приписывается изучение свойств целых чисел и пропорций, доказательство теоремы Пифагора и др., основал целую школу, пифагореизм, религиозно-философское учение, исходившее из представления о числе как основе всего существующего. Числовые соотношения, учит он, источник гармонии космоса, структура которого мыслится как природно-математическое единство. Пифагореизм внес значительный вклад в развитие математики, астрономии (утверждение о шарообразности Земли) и акустики.

В построениях Аристотеля (384-322 до н. э., древнегреческий философ учился у Платона в Афинах; в 335 основал Ликей, или перипатетическую школу, был воспитателем Александра Македонского), логически обосновавшего соотношение физики, метафизики, математики и логики, нашло отражение зарождающееся дисциплинарное строение науки в близком к его современному пониманию. Сочинения Аристотеля охватывают все отрасли знания.

В период античности научная картина мира не разрабатывалась в деталях, и общественно-историческая практика не предъявляла таких требований. В этом многие и видят причины кризиса поздней античной науки. Истоки перехода от первоначальной стадии развития научного познания, от единой науки к периоду анализа, расчленения, следует искать в этот период.

Но, несмотря на многие наивные представления (см., например, рис.5.27.2) и явные заблуждения, мы полны уважения и гордости за наших великих предков. А в моменты кризиса и встречи с непонятным, непознанным, вновь перелистываем и перечитываем их труды, дошедшие до наших дней, и не устаём удивляться мудрости древних, их терпению и великому труду, в котором столь блистательно проявился человеческий гений.

Механическая картина мира

Формирование механической картины мира (МКМ) происходило в течение нескольких столетий до середины девятнадцатого века под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителей древности: Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и др. Она явилась необходимым и очень важным шагом на пути познания природы.

Имена учёных, внесших основной вклад в создание МКМ: Н.Коперник, Г.Галилей, Р.Декарт, И.Ньютон, П.Лаплас и др.

Николай Коперник был первым человеком, сумевшим нанести сокрушительный удар по геоцентрическим системам мира. В мае 1543 года увидела свет его книга «О вращениях небесных сфер». Учение Коперника противоречило церковным воззрениям на устройство мира и сыграло огромную роль в истории мировой науки.

Основоположником механической картины мира по праву считается Галилео Галилей (Galilei) (1564-1642), итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Всеми своими силами он боролся против схоластики, считая единственно верной основой познания опыт. Деятельность Галилея не нравилась церкви, он был подвергнут суду инквизиции (1633), вынудившей его отречься от своего учения. До конца жизни Галилей был принужден жить под домашним арестом на своей вилле Арчетри близ Флоренции.

И только в 1992 году папа Иоанн Павел II реабилитировал Галилея и объявил решение суда инквизиции ошибочным. В годы детства и юности Галилея в науке господствовали представления об окружающем мире, сохранившиеся со времён античности. И Галилей был одним из первых, кто отважился выступить против них. Механическая картина мира возникла, когда главным критерием истины был признан опыт, а для описания явлений природы стали активно применять математику. Многие ставшие догмой утверждения Аристотеля не выдерживали проверки опытом. Аристотель, например, утверждал, что скорость падения тел пропорциональна их весу. Галилей в присутствии многочисленных свидетелей проводил наблюдения за падением с Пизанской башни тел различной массы (например, мушкетной пули и пушечного ядра). Оказалось, что скорость падения тел не зависит от их массы. Важнейшим достижением Галилея было открытие принципа относительности. Галилей сконструировал первый в мире термоскоп, который явился прообразом термометра. Направив подзорную трубу в небо, он сделал несколько выдающихся астрономических открытий: спутники Юпитера, фазы Венеры, строение Млечного Пути, солнечные пятна, кратеры и горы на Луне. Наблюдения за движением небесных тел сделали его убеждённым сторонником гелиоцентрической системы (рис.5.28.1). Открытия Галилея подрывали доверие к официальным взглядам на строение мира, пропитанным религиозными догмами.

Рене Декарт (Descartes, или Cartesius, 1596-1650), французский философ, математик, физик и физиолог, заложивший основы аналитической геометрии, определивший понятия переменной величины и функции, предположил существование закона сохранения количества движения, положил в основу своих построений принцип несотворимости и неуничтожимости движения. При этом все формы движения он сводил к механическому перемещению тел.

Исаак Ньютон (Newton) (1643-1727), английский математик, механик, астроном и физик, разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления. Он построил первый в мире зеркальный телескоп, чётко сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, сформулировал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Пространство и время в механике Ньютона являются абсолютными. Следует сказать, что работы Ньютона в механике, оптике и математике намного опередили его время, а многие его работы актуальны и сейчас. На языке Ньютона говорит вся современная наука.

Лаплас (Laplace) Пьер Симон (1749-1827), французский астроном, математик, физик был автором классических трудов по теории вероятностей и небесной механике. Лапласом и Кантом была предложена гипотеза происхождения Солнечной системы из газопылевого облака, развитая современными астрономами.

Коротко перечислим основные черты механической картины мира.

Все материальные тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом механическом движении. Материя - вещество, состоящее из неделимых частиц.

Взаимодействие тел осуществляется согласно принципа дальнодействия, мгновенно на любые расстояния (закон всемирного тяготения, закон Кулона), или при непосредственном контакте (силы упругости, силы трения).

Пространство - пустое вместилище тел. Всё пространство заполняет невидимая невесомая «жидкость» - эфир. Время - простая длительность процессов. Время абсолютно.

Всё движение происходит на основе законов механики Ньютона, все наблюдаемые явления и превращения сводятся к механическим перемещениям и столкновениям атомов и молекул. Мир выглядит как колоссальная машина с множеством деталей, рычагов, колёсиков.

Точно так же представляются и процессы, протекающие в живой природе.

Механика описывает все процессы, происходящие в микромире и макромире. В механической картине мира господствует лапласовский детерминизм - учение о всеобщей закономерной связи и причинной обусловленности всех явлений в природе.

Механика и оптика составляли основное содержание физики до начала XIX века. Картина мира строилась на достаточно очевидных и простых механических аналогиях. И в повседневной практической деятельности людей основные выводы классической механики не приводили к противоречиям с опытными данными.

Однако позже, с развитием средств измерения, стало известно, что при изучении многих явлений, например, небесной механики необходимо учитывать сложные эффекты, связанные с движением частиц со скоростями, близкими к световым.

Появились уравнения специальной теории относительности, с трудом вмещающиеся в рамки механических представлений. Изучая свойства микрочастиц, ученые выяснили, что в явлениях микромира частицы могут обладать свойствами волны.

Возникли трудности при описании электромагнитных явлений (испускание, распространение и поглощение света, электромагнитной волны), которые не могли быть разрешены классической ньютоновской механикой.

Однако с развитием науки механическая картина мира не была отброшена, а лишь был вскрыт её относительный характер. Механическая картина мира используется и сейчас во многих случаях, когда, например, в рассматриваемых нами явлениях материальные объекты движутся с небольшими скоростями, и мы имеем дело с небольшими энергиями взаимодействия. Механический взгляд на мир по-прежнему остается актуальным, когда мы сооружаем здания, строим дороги и мосты, проектируем плотины и прокладываем каналы, рассчитываем крыло самолета или решаем другие многочисленные задачи, возникающие в нашей повседневной человеческой жизни.

Электромагнитная картина мира

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ).

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М.Фарадеем и Дж.Максвеллом, Г.Герцем.

М.Фарадей, отказываясь от концепции дальнодействия (переносчик взаимодействия) вводит понятие физического поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Дж.Максвелл развивает теория электромагнитного поля, а Г.Герц экспериментально открывает электромагнитные волны.

В ЭМКМ весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света.

Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Дж.Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.

На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.

Делаются попытки свести механическое описание явлений к описанию на основе теории электромагнитного поля. Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к нескольким математически строгим, хотя и очень сложным, соотношениям.

Понятие эфира (как переносчика света и электромагнитных волн) медленно эволюционирует - вплоть до полного отказа в конечном итоге от самой концепции эфира.

Меняются представления учёных о пространстве и времени. Появляются первые работы А.Эйнштейна по теории относительности. В научных работах зарождаются новые взгляды на природу тяготения, отличные от тех, что развивались в механической картине мира.

Вселенная как бы обретает совершенно новые черты. Ученые обнаруживают «разбегание» галактик.

ЭМКМ расширяется, уточняется и углубляется. Учёные строят всё новые и новые модели атома, стремясь узнать, какая из них все-таки ближе всего к истине.

Наиболее красивой и точной стала планетарная модель атома, созданная Э.Резерфордом. Но именно она стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.

Уже в конце XIX, начале XX века экспериментальные данные, полученные при изучении микро- и мегамира, резко расходились с предсказаниями существующих естественно-научных теорий, требовали разработки новых, более точных и адекватных сущности многих загадочных явлений.

Не смотря на это, электромагнитная картина мира подарила нам очень многое, без чего мы не можем представить современную жизнь: способы получения и использования электрической энергии, к примеру, электрическое освещение (без которого уже немыслимы наши жилища) и отопление, современные электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение). Без радиосвязи, например, уже невозможно существование современных государств, функционирование транспорта и производства, немыслимо даже повседневное общение людей.

Квантово-полевая картина мира

Практические потребности людей, их постоянный интерес к вопросу об устройстве мира, привели к созданию совершенно новой теории - квантовой теории поля и на её основе квантово-полевой картины мира (КПКМ).

В КПКМ возникает новая концепция - квантовое волновое поле, которое является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее проявлений, как волновых, так и корпускулярных. На смену классическим полям типа электромагнитного поля Фарадея-Максвелла и классическим частицам приходят единые объекты - квантовые поля.

Основоположниками новой физической картины мира стали Макс Планк, Нильс Бор, Луи де Бройль, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и многие другие не менее известные и выдающиеся учёные.

Центральными понятиями новой картины мира стали понятия «квант энергии», «дискретные состояния», «корпускулярно-волновой дуализм».

У частиц обнаружили волновые свойства (дифракция электронов), у электромагнитных волн - корпускулярные. Оказалось, что законы макромира отличаются от законов микромира. Микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

На первое место в изучении явлений природы выдвинулись квантовая механика и квантовая электродинамика. В КПКМ выясняется обменный характер взаимодействия, описываются четыре вида фундаментальных силовых взаимодействий, возникают новые представления о материи, движении, взаимодействии, энергии, массе.

Как и остальные картины мира, за время своего существования в XX веке КПКМ претерпевало существенное развитие. Полное и целостное рассмотрение квантово-полевой картины мира является очень сложной задачей и на данном этапе практически невыполнимой, но отдельные элементы КПКМ изучаются в старших классах средней школы на занятиях по физике, химии, биологии и астрономии.

Благодаря многочисленным экспериментам и настойчивым теоретическим изысканиям у физиков ХХ века появилось ощущение необыкновенного могущества, когда наука существенно продвинулась в изучении строения атома и атомного ядра, природы элементарных частиц. Это чувство подкрепилось в середине и во второй половине ХХ века, когда законы современной физики оказалось возможным применить к явлениям жизни. Не случайно основоположниками молекулярной биологии считаются в том числе и известные физики (Эрвин Шрёдингер, Макс Дельбрюк).

В квантово-полевой картине мира рассматриваются, изучаются и объясняются явления, остававшиеся загадочными в других картинах мира, возникших на более ранних этапах развития науки, решаются задачи, неразрешимые для мыслителей древности, представителей механической и электромагнитной картин мира. Мы знаем, как устроен микромир до расстояний 10^-17 м и мегамир до расстояний 10²⁷ м. Никогда еще мы не знали о природе так много и точно.

И электрический ток в полупроводниках (исследование которого подарило нам современные компактные радио- и телевизионные устройства, компактные и удобные мобильные средства связи, компьютеры - электронно-вычислительные машины); и сверхпроводимость (с которой связывают будущее цивилизации); и новые конструкционные материалы (современная химия - это квантовая химия, а смысл периодической системы нашего с Вами гениального соотечественника Д.И.Менделеева объясняется только этой картине мира); и источники энергии, благодаря которым мы сохранили нашу биосферу пригодной для существования человека и всех живых организмов и еще многое-многое другое - все это рассматривается и объясняется квантово-полевой картиной мира.

Кроме того, развитие квантово-полевой картины мира еще раз продемонстрировало нам важность механической и электромагнитной картин мира, указав на то, что они верно отражали многие объективные свойства окружающего мира, абсолютизируя, однако, отдельные его стороны.

КРУШЕНИЕ МЕХАНИСТИЧЕСКОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Каковы хронологические рамки и особенности этапа крушения механистического естествознания?

Хронологически этот период, а значит становление естествознания как определенной системы знания, начинается примерно в XVI-XVII вв. и завершается на рубеже XIX-XX вв. В свою очередь данный период можно разделить на два этапа: этап механистического естествознания (до 30-х гг. XIX в) и этап зарождения и формирования эволюционных (до конца XIX - начала XX в).

Начало этого этапа совпадает со временем перехода от феодализма к капитализму в Западной Европе. Начавшееся бурное развитие производительных сил (промышленности, горного и военного дела, транспорта и т.п.) потребовало решения целого ряда технических задач. А это, в свою очередь, вызвало интенсивное формирование и развитие частных наук, среди которых особую значимость приобрела механика - в силу специфики решения технических задач.

Активное деятельностное отношение к миру требовало познания его существенных связей, причин и закономерностей, а значит резкого усиления внимания к проблемам и самого познания и его форм, методов, возможностей, механизмов и т.п. Одной из ключевых проблем стала проблема метода. Укрепляется идея о возможности изменения, переделывания природы, на основе познания ее закономерностей, все более осознается практическая ценность научного знания ("знание-сила"). Механистическое естествознание начинает развиваться ускоренными темпами.

В свою очередь этап механистического естествознания можно условно подразделить на две ступени, - доньютоновскую и ньютоновскую - связанных соответственно с двумя глобальными научными революциями, происходившими в XVI-XVII вв. и создавшими принципиально новое (по сравнению с античностью и средневековьем) понимание мира.

Доньютоновская ступень - и соответственно первая научная революция - происходила в период Возрождения, и ее содержание определило гелиоцентрическое учение Н. Коперника (1473-1543). В своем труде "Об обращениях небесных сфер" он утверждал, что Земля не является центром мироздания и что "Солнце, как бы восседая на Царском престоле, управляет вращающимся около него семейством светил".

Это был конец геоцентрической системы, которую Коперник отверг на основе большого числа астрономических наблюдений и расчетов - это и было первой научной революцией, подрывавшей также и религиозную картину мира. Кроме того, он высказал мысль о движении как естественном свойстве материальных объектов, подчиняющихся определенным законам и указал на ограниченность чувственного познания ("Солнце ходит вокруг Земли"). Но Коперник был убежден в конечности мироздания: Вселенная где-то заканчивается твердой сферой, на которой закреплены неподвижные звезды.

Нелепость такого взгляда показал датский астроном Тихо Браге, а особенно Д. Бруно. Он отрицал наличие центра Вселенной, отстаивал тезис о ее бесконечности и о бесчисленном количестве миров, подобных Солнечной системе.

Вторая глобальная научная революция произошла в XVII в. Чаще всего ее связывают с именами Галилея, Кеплера и Ньютона, который ее и завершил, открыв тем самым новую - посленьютоновскую ступень развития механистического естествознания. В учении Г. Галилея (1564-1642) уже были заложены достаточно прочные основы нового механистического естествознания. В центре его научных интересов стояла проблема движения. Открытие принципа инерции, исследование им свободного падения тел имели большое значение для становления механики как науки.

Согласно Галилею, научное познание должно базироваться на планомерном и точном эксперименте - как мысленном, так и реальном. Для последнего характерно непосредственное изменение условий возникновения явлений и установление между ними закономерных причинных связей, обобщаемых посредством математического аппарата.

Будучи одним из основателей современного экспериментально-теоретического естествознания, Галилей заложил основы классической динамики, сформулировал принцип относительности движения, идею инерции, закон свободного падения тел. Его открытия обосновали гелиоцентрическую систему Коперника в борьбе со схаластической аристотелевско-птолемеевской традицией. Он развивал принципы механистического материализма.

Исходным пунктом познания, по Галилею, является чувственный опыт, который, однако, сам по себе не дает достоверного знания. Оно достигается планомерным и реальным или мысленным экспериментированием, опирающимся на строгое количественно-математическое описание. Критикуя непосредственный опыт, Галилей первым показал, что опытные данные в своей первозданности вовсе не являются исходным элементом познания, что они всегда нуждаются в определенных теоретических предпосылках. Иначе говоря, опыт не может не предваряться определенными теоретическими допущениями, не может не быть "теоретически нагруженным".

Вот почему Галилей, в отличие от "чистого эмпиризма" Ф. Бэкона (при всем сходстве их взглядов) был убежден, что "фактуальные данные" никогда не могут быть даны в их "девственной первозданности". Они всегда так или иначе "пропускаются" через определенное теоретическое "видение" реальности, в свете которого они (факты) получают соответствующую интерпретацию. Таким образом, опыт - это очищенный в мысленных допущениях и идеализациях опыт, а не просто (и не только) простое описание фактов.

Галилей выделял два основных метода экспериментального исследования природы:

1. Аналитический ("метод резолюций") - прогнозирование чувственного опыта с использованием средств математики, абстракций и идеализации. С помощью этих средств выделяются элементы реальности (явления, которые "трудно себе представить"), не доступные непосредственному восприятию (например, мгновенная скорость). Иначе говоря, вычленяются предельные феномены познания, логически возможные, но не представимые в реальной действительности.

2. Синтетически-дедуктивный ("метод композиции") - на базе количественных соотношений вырабатываются некоторые теоретические схемы, которые применяются при интерпретации явлений, их объяснении.

Достоверное знание в итоге реализуется в объясняющей теоретической схеме как единство синтетического и аналитического, чувственного и рационального. Следовательно, отличительное свойство метода Галилея - построение научной эмпирии, которая резко отлична от обыденного опыта.

Оценивая методологические идеи Галилея, В. Гейзенберг отмечал, что "Галилей отвернулся от традиционной, опиравшейся на Аристотеля науки своего времени и подхватил философские идеи Платона... Новый метод стремился не к описанию непосредственно наблюдаемых фактов, а скорее к проектированию экспериментов, к искусственному созданию феноменов, при обычных условиях не наблюдаемых, и к их расчету на базе математической теории". Гейзенберг выделяет две характерные черты нового метода Галилея: а) стремление ставить каждый раз новые точные эксперименты, создающие идеализированные феномены; б) сопоставление последних с математическими структурами, принимаемыми в качестве законов природы.

На новаторский характер методологических поисков Галилея обратил внимание Пол Фейерабенд. Он отметил, что в творчестве Галилея заключен почти неиссякаемый источник материала для методологических рассуждений. В его деятельности эмпирический опыт был заменен опытом, содержащим концептуальные элементы. "Галилей нарушает важнейшие правила научного метода, изобретенные Аристотелем и канонизированные логическими позитивистами (такими, как Карнап и Поппер); Галилей добивается успеха потому, что не следует этим правилам".

Способ мышления Галилея исходил из того, что одни чувства без помощи разума не способны дать нам истинного понимания природы, для достижения которого нужно чувство, сопровождаемое рассуждением. Имея в виду прежде всего галилеевский принцип инерции, А. Эйнштейн и Л. Инфельд писали: "Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, т.е. они иногда ведут по ложному следу".

Иоганн Кеплер (1571-1630) установил три закона движения планет относительно Солнца:

1. Каждая планета движется по эллипсу (а не по кругу, как полагал Коперник), в одном из фокусов которого находится Солнце.2. Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади: скорость движения планеты тем больше, чем ближе она к Солнцу.3. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него. Кроме того, он предложил теорию солнечных и лунных затмений и способы их предсказания, уточнил расстояние между Землей и Солнцем и др. Но Кеплер не объяснил причины движения планет, ибо динамика - учение о силах и их взаимодействии - была создана позже Ньютоном.

Таким образом, вторая научная революция завершилась творчеством Ньютона (1643-1727), научное наследие которого чрезвычайно глубоко и разнообразно, уже хотя бы потому, что, как сказал он сам, "Я стоял на плечах гигантов". Главный труд Ньютона - "Математические начала натуральной философии" (1687) это, по выражению Дж. Бернала, "библия новой науки", "источник дальнейшего расширения изложенных в ней методов". В этой и других своих работах Ньютон сформулировал понятия и законы классической механики, дал математическую формулировку закона всемирного тяготения, теоретически обосновал законы Кеплера (создав тем самым небесную механику), и с единой точки зрения объяснил большой объем опытных данных (неравенства движения Земли, Луны и планет, морские приливы и др.).

Кроме того, Ньютон - независимо от Лейбница - создал дифференциальное и интегральное исчисление как адекватный язык математического описания физической реальности. Он был автором многих новых физических представлений - о сочетании корпускулярных и волновых представлений о природе света, об иерархически атомизированной структуре материи, о механической причинности и др.

Как отмечал А. Эйнштейн, в трудах Ньютона представлена первая попытка установления теоретической основы для физики и других наук. В его работах "проявлялось стремление найти для унификации всех отраслей науки теоретическую основу, образованную минимальным числом понятий и фундаментальных отношений, из которых логическим путем можно было бы вывести все понятия и соотношения отдельных дисциплин". Построенный Ньютоном фундамент, по свидетельству Эйнштейна, оказался исключительно плодотворным и до конца XIX в. считался незыблемым.

Научный метод Ньютона имел целью четкое противопоставление достоверного естественнонаучного знания вымыслам и умозрительным схемам натурфилософии. Знаменитое его высказывание "гипотез не измышляю"было лозунгом этого противопоставления.

Содержание научного метода Ньютона (метода принципов) сводится к следующим основным "ходам мысли":

1) провести опыты, наблюдения, эксперименты;

2) посредством индукции вычленить в чистом виде отдельные стороны естественного процесса и сделать их объективно наблюдаемыми;

3) понять управляющие этими процессами фундаментальные закономерности, принципы, основные понятия;

4) осуществить математическое выражение этих принципов, т.е. математически сформулировать взаимосвязи естественных процессов;

5) построить целостную теоретическую систему путем дедуктивного развертывания фундаментальных принципов, т.е. "прийти к законам, имеющим неограниченную силу во всем космосе" (В. Гейзенберг);

6)"использовать силы природы и подчинить их нашим целям в технике" (В. Гейзенберг).

С помощью этого метода были сделаны многие важные открытия в науках. На основе метода Ньютона в рассматриваемый период был разработан и использовался огромный "арсенал" самых различных методов. Это прежде всего наблюдение, эксперимент, индукция, дедукция, анализ, синтез, математические методы, идеализация и другие. Все чаще говорили о необходимости сочетания различных методов. Благодаря созданному им методу, "Ньютон был первым, кому удалось найти ясно сформулированную основу, из которой с помощью математического мышления можно бьшо логически вывести количественно и в соответствии с опытом широкую область явлений".

Сам Ньютон с помощью своего метода решил три кардинальных задачи. Во-первых, четко отделил науку от умозрительной натурфилософии и дал критику последней. ("Физика, берегись метафизики") Под натурфилософией Ньютон понимал "точную науку о природе", теоретико-математическое учение о ней. Во-вторых, разработал классическую механику как целостную систему знаний о механическом движении тел. Его механика стала классическим образцом научной теории дедуктивного типа и эталоном научной теории вообще, сохранив свое значение до настоящего времени. В-третьих, Ньютон завершил построение новой революционной для того времени картины природы, сформулировав основные идеи, понятия, принципы, составившие механическую картину мира. При этом Ньютон считал, что "было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы".

Основное содержание механической картины мира, созданной Ньютоном, сводится к следующим моментам:

1. Весь мир, вся Вселенная (от атомов до человека) понимался как совокупность огромного числа неделимых и неизменных частиц, перемещающихся в абсолютном пространстве и времени, взаимосвязанных силами тяготения, мгновенно передающимися от тела к телу через пустоту (ньютоновский принцип дальнодействия).

2. Согласно этому принципу любые события жестко предопределены законами классической механики, так что если бы существовал, по выражению Лапласа, "всеобъемлющий ум", то он мог бы их однозначно предсказывать и предвычислять.

3. В механической картине мира последний был представлен состоящим из вещества, где элементарным объектом выступал атом, а все тела - как построенные из абсолютно твердых, однородных, неизменных и неделимых корпускул - атомов. Главными понятиями при описании механических процессов были понятия "тело" и "корпускула".

4. Движение атомов и тел представлялось как их перемещение в абсолютном пространстве с течением абсолютного времени. Эта концепция пространства и времени как арены для движущихся тел, свойства которых неизменны и независимы от самих тел, составляла основу механической картины мира.

5. Природа понималась как простая машина, части которой подчинялись жесткой детерминации, которая была - характерной особенностью этой картины.

6. Важная особенность функционирования механической картины мира в качестве фундаментальной исследовательской программы - синтез естественнонаучного знания на основе редукции (сведения) разного рода процессов и явлений к механическим.

Несмотря на ограниченность уровнем естествознания XVII в., механическая картина мира сыграла в целом положительную роль в развитии науки и философии. Она давала естественнонаучное понимание многих явлений природы, освободив их от мифологических и религиозных схоластических толкований. Она ориентировала на понимание природы из нее самой, на познание естественных причин и законов природных явлений.

Материалистическая направленность механической картины Ньютона не избавила ее от определенных недостатков и ограниченностей. Одна из них состояла, в частности, в том, что "эта картина не охватывала ни наук о жизни, ни наук о человеке, т.е. не охватывала подавляющей части современного научного аппарата. Однако она позволила то, чего до сих пор в науке не было в сколько-нибудь значительной степени, позволила предсказывать события, предвидеть их с огромной точностью".

Механистичность, метафизичность мышления Ньютона проявляется, в частности, в его утверждении о том, что материя - инертная субстанция, обреченная на извечное повторение хода вещей, из нее исключена эволюция; вещи неподвижны, лишены развития и взаимосвязи; время - чистая длительность, а пространство - пустое "вместилище" вещества, существующее независимо от материи, времени и в отрыве от них. Ощущая недостаточность своей картины мира, Ньютон вынужден был аппелировать к идеям творения, отдавать дань религиозно-идеалистическим представлениям.

Несмотря на свою ограниченность, механическая картина мира оказала мощное влияние на развитие всех других наук на долгое время. Экспансия механической картины мира на новые области исследования осуществлялась в первую очередь в самой физике, но потом - в других областях знаний. Освоение новых областей потребовало развития математического формализма ньютоновской теории и углубленной разработки ее концептуального аппарата. А. Эйнштейн писал: "Значение трудов Ньютона заключается не только в том, что им была создана практически применимая и логически удовлетворительная основа механики, айв том, что до конца XIX в. эти труды служили программой всех теоретических исследований в физике", - но не только в ней, но и в других науках.

Развитие многих областей научного познания в этот период определялось непосредственным воздействием на них идей механической картины мира. Так, в эпоху господства алхимии Р. Бойль выдвинул программу, которая переносила в химию принципы и образцы объяснения, сформулированные в механике. Бойль предлагал объяснить все химические явления, исходя из представлений о движении "малых частиц материи" (корпускул).

Механическая картина мира оказывала сильное влияние и на развитие биологии. Так, Ламарк, пытаясь найти естественные причины развития организмов, опирался на вариант механической картины мира, включавший идею "невесомых". Он полагал, что именно последние являются источником органических движений и изменения в живых существах. Развитие жизни, по его мнению, выступает как "нарастающее движение флюидов", которое и было причиной усложнения организмов и их изменения.

Довольно сильным влияние механической картины мира было и на знание о человеке и обществе.

Однако по мере экспансии механической картины мира на новые предметные области наука все чаще сталкивалась с необходимостью учитывать особенности этих областей, требующих новых, немеханических представлений. Накапливались факты, которые все труднее было согласовывать с принципами механической картины мира. Она теряла свой универсальный характер, расщепляясь на ряд частонаучных картин, начался процесс расшатывания механической картины мира. В середине XIX в. она окончательно утратила статус общенаучной.

Говоря о механической картине мира, необходимо отличать это понятие от понятия "механицизм". Если первое понятие обозначает концептуальный образ природы, созданный естествознанием определенного периода, то второе - методологическую установку. А именно - односторонний методологический подход, основанный на абсолютизации и универсализации данной картины, признанию законов механики как единственных законов мироздания, а механической формы движения материи - как единственно возможной.

Сущность механистического подхода весьма ярко сформулировал П. Лаплас, подчеркивая, что принципы механической картины мира должны быть приняты в качестве идеала объяснения любых природных процессов, истинной методики исследования законов природы. Успехи механической теории в объяснении явлений природы, а также их большое значение для развития практики - для техники, для конструирования машин, для строительства, мореплавания, военного дела и т.п. и привели к абсолютизации механической картины мира, которая стала рассматриваться в качестве универсальной.

Таким образом, естествознание рассматриваемого этапа было механистическим, поскольку ко всем процессам природы прилагался исключительно масштаб механики. Стремление расчленить природу на отдельные "участки" и подвергать их анализу каждый по отдельности, постепенно превращалось в привычку представлять природу состоящей из неизменных вещей, лишенных развития и взаимной связи. Так сложился метафизический способ мышления, одним из выражений которого и был механицизм как своеобразная методологическая доктрина.

При попытке понять явления исключительно с механистической точки зрения было необходимо вводить такие искусственные субстанции как электрические и магнитные жидкости, световые корпускулы, флюиды и т.п. Однако в результате оказалось, что "ошибка лежит в фундаментальном положении о том, что все явления в природе можно объяснить с механистической точки зрения. Наука не имела успеха в последовательном проведении механистической программы".

Механицизм есть крайняя форма редукционизма. Редукционизм (лат. - отодвигание назад, возвращение к прежнему состоянию) - методологический принцип, согласно которому высшие формы могут быть полностью объяснены на основе закономерностей, свойственных низшим формам, т.е. сведены к последним (например, биологические явления - с помощью физических и химических законов).

Само по себе сведение сложного к более простому в ряде случаев оказывается плодотворным - например, применение методов физики и химии в биологии. Однако абсолютизация принципа редукции, игнорирование специфики уровней (т.е. того нового, что вносят переход на более высокий уровень организации) неизбежно ведет к заблуждениям в познании.

Таким образом, небывалые успехи механики породили представление о принципиальной сводимости всех процессов в мире к механическим. "Поэтому в XIX в. механика прямо отождествлялась с точным естествознанием. Ее задачи и сфера ее применяемости казались безграничными. Еще Больцман утверждал, что мы может понять физический процесс лишь в том случае, если объясним его механически.

Первую брешь в мире подобных представлений пробила макевелловская теория электромагнитных явлений, дававшая математическое описание процессов, не сводя их к механике".

Следует сказать о том, что на современном, постнеклассическом этапе развития естествознания споры и дискуссии о редукционизме вспыхнули с новой силой. Так, М.В. Волькенштейн считает ложными положения о том, что "редукционизм теории есть заблуждение" или что "физикализм оказывал уничтожающее влияние на развитие биологии". Опровергая эти положения, автор считает, что борьба с "редукционизмом" и "физикализмом" как таковыми не только бессмысленна, но и вредна для науки. Весь вопрос в том, какое содержание вкладывать в данные термины. В зависимости от этого редукционизм может быть либо "жупелом, придуманным для устрашения естественников", либо эффективным приемом (способом) познания.

В последнем случае "речь идет не о "сведении" - физика никогда не подменит биологию, но о раскрытии глубинных физических основ биологических явлений. Так называемый редукционизм в естественных науках есть обязательный и наиболее конструктивный способ познания". В этой связи автор приводит ряд примеров, свидетельствующих о выдающемся значении физических идей для развития биологии, начиная с теории кровообращения Гарвея (которая была механической по своей сути) и положения Лавуазье об общности дыхания и горения, и кончая постановкой задачи с генетическом коде.

Многие современные исследователи подвергают сомнению тезис И. Пригожина о том, что сегодняшняя наука не является редукционистской. Так, Е.Н. Князева и С.П. Курдюмов считают, что, во-первых, "нужно избегать жесткого физикализма или механицизма, непосредственного сведения всего к законам простейших формообразований природы", во-вторых, в современном знании содержание термина "редукционизм" изменилось и потому, в-третьих, недопустим редукционизм механистический, т.е. фактическое отрицание специфичности более сложного, сведение целого к сумме его частей. Но правомерен диалектически понятый редукционизм как "использование фундаментальных законов более простых уровней с целью теоретического выведения (объяснения) качественной специфичности сложных образований".

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Термин элементарная частица первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильныечастицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^–10–10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^–23–10^–22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием спина. Спиномназывается собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением. Спин характеризуется спиновым квантовым числом s, которое может принимать целые (±1) или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином – бозоны, с полуцелым – фермионы. Электрон относится к фермионам. Согласно принципу Паули в атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чисел n, m, l, s. Электроны, которым соответствует волновые функции с одинаковым числом n, очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числе l определяют “подоболочку”, остальные квантовые числа определяют ее заполнение, о чем было сказано выше.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление взаимодействия. Как отмечалось ранее, известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (ядерное).

Все частицы, имеющие массу покоя (m₀), участвуют в гравитационном взаимодействии, заряженные – и в электромагнитном. Лептоны участвуют еще и слабом взаимодействии. Адроны участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях.

Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами, то есть частицами, о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты (реальные частицы можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов).

Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое – имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все взаимодействия как бы сделаны “из одной болванки”. Это вселяет надежду, что можно будет найти “единственный ключ ко всем известным замкам” и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не проявлены.

Существует огромное число способов классификации элементарных частиц. Так, например, частицы разделяют на фермионы (Ферми-частицы) – частицы вещества и бозоны (Бозе-частицы) – кванты полей.

Согласно другому подходу, частицы разделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.

Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.

Лептоны получили свое название от греческого слова leptos – легкий. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием мюоны (μ^–, μ⁺), электроны (е^–, е⁺),электронные нейтрино (v_e^–, v_e⁺) и мюонные нейтрино (v^–_m, v⁺_m). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (то есть мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежит р-мезоны, или пионы (π⁺, π^–, π⁰), К-мезоны, или каоны (К⁺, К^–, К⁰), и эта-мезоны (η). Масса К-мезонов составляет ~970mе (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральных К-мезонов). Время жизни К-мезонов имеет величину порядка 10^–8 с. Они распадаются с образованием я-мезонов и лептонов или только лептонов. Масса эта-мезонов равна 549 МэВ (1074 mе), время жизни – порядка
10^–19 с. Эта-мезоны распадаются с образованием π-мезонов и γ-фотонов. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь ~ 10^–23–10^–22 с.

Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Частицы и античастицы. В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона – позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследования уравнения показывают, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям: .

Между наибольшей отрицательной энергией (–m_ес²) и наименьшей положительной энергией (+m_ec²) имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2m_ес².

Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с +m_eс² и простирается до +∞, другая начинается с –m_ес² и простирается до –∞.

Частица с отрицательной энергией должна обладать очень странными свойствами. Переходя в состояния со все меньшей энергией (то есть с увеличивающейся по модулю отрицательной энергией), она могла бы выделять энергию, скажем, в виде излучения, причем, поскольку |Е| ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следующим путем: из соотношения Е = m_ес² вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечно большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, признать, что состояние с отрицательной энергией нужно исключить из рассмотрения как приводящее к абсурдным результатам. Это, однако, противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики. Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он предложил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами.

Согласно Дираку, вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию Е ≥ 2m_ес², то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 4 стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон-позитрон, а стрелка 2 – их аннигиляцию Термин “аннигиляция” не следует понимать буквально. По существу, происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (γ-фотоны).

Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (то есть не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, π⁰-мезон и η-мезон. Частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.

Если барионам (то есть нуклонам и гиперонам) приписать барионный заряд (или барионное число) В = +1, антибарионам – барионный заряд В = –1, а всем остальным частицам – барионный заряд В = 0, то для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов, будет характерно сохранение барионов заряда, подобно тому как для процессов характерно сохранение электрического заряда.

Закон сохранения барионного заряда обусловливает стабильность самого мягкого из барионов – протона. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны протонами, а протоны электронами и т. д.), называется зарядом сопряжения.

Странные частицы. К-мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х гг. XX в. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10^–23 с, а времена жизни их оказались порядка
10^–8–10^–10 с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго. Поскольку и в рождении, и в распаде λ-гиперона участвуют одни и те же частицы (π-мезоны и протон), представлялось удивительным, что скорость (то есть вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается невозможным одиночное рождение странных частиц.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Это квантовое число S было названо странностью частицы. При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам – мезонам и барионам.

Нейтрино. Нейтрино – единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в которомучаствуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностью. Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульса Р и спина S частицы. Спиральность считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случае направление движения частицы (Р) и направление “вращения”, соответствующего спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе спиральность будет отрицательной (поступательное движение и “вращение” образуют левый винт). Согласно развитой Янгом, Ли, Ландау и Саламом теории продольного нейтрино, все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (то есть спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу Р). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений S и Р, изображенное на рис. 5 (б), антинейтрино – положительную (правую) спиральность (а). Таким образом, спиральность – это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

Рис. 5. Схема спиральности элементарных частиц

Систематика элементарных частиц. Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много. Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульса Р, момента импульса L и энергии Е отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранение Е есть следствие однородности времени, сохранение Робусловлено однородностью пространства, а сохранение L – его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р-инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С-инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметрию С-функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд, поэтому он стабилен.

Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом Q, гиперзарядом У и барионным зарядом В. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц – носителей этих зарядов. В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности, электрический заряд, равный +⅔; –⅓; +⅓ соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквами U, D, S. Кроме кварков, рассматриваются антикварки (u, d, s). На сегодняшний день известно 12 кварков – 6 кварков и 6 антикварков. Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Так, например, протон и нейтрон состоят из трех кварков, что делает протон или нейтрон бесцветными. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R), желтый (Y) и зеленый (G).

Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момент (мкВ), величина которого из теории не определяется. Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают для протона значение магнитного момента μ_p = μ_кв, а для нейтрона μ_n = –⅔μ_кв.

Таким образом, для отношения магнитных моментов получается значение
μ_p/μ_n = –⅔, превосходно согласующееся с экспериментальным значением.

В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях, р-мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названы глюонами. Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. confinements – пленение) кварков, согласно которой невозможно вычитание кварка из целого. Он может существовать лишь в качествеэлемента целого. Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, напоминают положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделевым периодического закона. Хотя сущность этого закона была выяснена только спустя примерно 60 лет после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем разработанная систематика в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить их свойства.

Итак, в настоящее время истинно элементарными можно считать кварки и лептоны; их 12, или вместе с античатицами – 24. Кроме того, существуют частицы, обеспечивающие четыре фундаментальные взаимодействия (кванты взаимодействия). Этих частиц 13: гравитон, фотон, W^±- и Z-частицы и 8 глюонов.

Существующие теории элементарных частиц не могут указать, что является началом ряда: атомы, ядра, адроны, кварки¼ В этом ряду каждая более сложная материальная структура включает более простую как составную часть. По-видимому, так бесконечно продолжаться не может. Предположили, что описанная цепочка материальных структур базируется на объектах принципиально иной природы. Показано, что такими объектами могут быть не точечные, а протяженные, хотя и чрезвычайно малые (~10^‑33 см) образования, названныесуперструнами. Описанная идея в нашем четырехмерном пространстве не реализуема. Данная область физики вообще чрезвычайно абстрактна, и очень трудно подобрать наглядные модели, помогающие упрощенному восприятию идей, заложенных в теориях элементарных частиц. Тем не менее, эти теории позволяют физикам выразить взаимопревращение и взаимообусловленность “наиболее элементарных” микрообъектов, их связь со свойствами четырехмерного пространства-времени. Наиболее перспективной считается так называемая М-теория (М – от mystery – загадка, тайна).

Она оперирует двенадцатимерным пространством. В конечном итоге при переходе к непосредственно воспринимаемому нами четырехмерному миру все “лишние” измерения “сворачиваются”. М-теория пока единственная теория, которая дает возможность свести четыре фундаментальные взаимодействия к одному – так называемой Суперсиле. Важно также, что М-теория допускает существование разных миров и устанавливает условия, обеспечивающие возникновение нашего мира. М-теория еще недостаточно разработана. Считается, что окончательная «теория всего» на основе М-теории будет построена в XXI в.

ГАЛАКТИКИ И МЕТАГАЛАКТИКИ

Сейфертовские галактики - спиральные галактики с активнымиядрами. Названы по имени К. Сейферта (С. Seyi'ert), обнаружившего в 1942в спектрах десятка ярких спиральных галактик сильные эмиссионные линииводорода и др. элементов. С. г. (SyG) составляют подклассобъектов сактивными ядрами. Поскольку такие объекты выделяют, как правило, поспектральным признакам, нет чёткого разграничения между SyG и квазарами(OSO). Напр., SyG IIZw 136 входит в список ярких квазаров, а квазарЗС 273 иногда включается в списки SyG. Хотя в ср. ширина водородных линийв спектрах квазаров значительно больше, чем в спектрах ядер SyG, нек-рыеSyG по ширине линий сравнимы с квазарами.

Возможно, квазары также являютсяактивными ядрами спиральных галактик, т. к. у ряда квазаров обнаруженыокружающие галактики, по нек-рым характеристикам - спиральные. Вомн. отношениях квазары и ядра SyG сходны между собой, так что в каталогахквазары и SyG часто разделяют только по светимости (абс.звёздной величинеМ):SyG при М^m; OSO при М< -23^m.Одно из осн. отличий - это контраст (отношение) светимостей ядра и всейгалактики. Светимость ядер SyG составляет 20%от полной светимости галактики, у квазаров - больше 90%. С этим связанынек-рые особенности ядер SyG: низкая степень поляризации излучения, порядканеск. процентов (у квазаров и «лацертид» до 30%); увеличение амплитудыпеременности (в звёздных величинах) с уменьшением диаметра диафрагмы (ск-рой проводятся наблюдения) и длины волны (в УФ-диапазоне амплитуда значительнобольше, чем в видимом) и др. Соответственно меняются и показатели цвета(см. Астрофотометрия )ядер SyG при изменениях блеска: в максимумеблеска они близки к показателям цвета квазаров (U - В -1 ^т, В - V0^m), в минимуме - к показателям цвета спиральных галактик(Sa - Sb).

По виду спектра SyG делятся на три типа: Sy1 (широкие разрешённые иузкие запрещённые линии), Sy2 (и те и др. линии узкие) и Sy3 («лайнеры»- линии узкие, относительно велика интенсивность линий низкой ионизации).По этим признакам OSO можно отнести к типу Syl. Кроме спектральных особенностейгалактики Syl и Sy2 отличаются и др. характеристиками.

Так, мощность рентг. <излучения Syl в ср. на порядок больше, чем Sy2, амплитуда онтич. переменноститакже значительно больше, присутствует быстрая (характерное время ) переменность излучения. С др. стороны, галактики Sy2 в ср. имеют болеемощное радиоизлучение, более крутой спектр в ИК-диапазоне (что обусловленов осн. тепловым излучением пыли), тогда как ИК-спектр Sy1 более плоскийи ближе к спектру квазаров.

Наблюдавшиеся неоднократно переходы (по спектральным характеристикам)Syl в Sy2 (NGC4151) и наоборот (NGC1566) подчёркивают общность природыядер SyG разных типов и доминирующую роль центр. источника. Исследованиеименно SyG позволит, видимо, решить проблему связи активности ядра с галактикойв целом. Существуют две точки зрения на проявление феномена активного ядра:SyG - фаза в эволюции любой спиральной галактики (короткая шкала жизни),SyG - особый класс объектов, отличающихся от «нормальных» спиральных галактик(длинная шкала). Если SyG, за исключением активного ядра, ничем не отличаютсяот «нормальных» спиральных галактик, то, видимо, справедлива первая точказрения. Интенсивные исследования SyG (с кон. 1960-х гг.) дают свидетельстваскорее в пользу второй гипотезы.

Прежде всего, SyG отличаются от «нормальных»спиральных галактик того же морфологич. типа повыш. концентрацией поверхностнойяркости. На расстоянии 1-10 кпк от ядра распределение поверхностной яркостиспиральных галактик по радиусу r можно представить как .Показатель степени п для SyG в 1,5 раза больше, чем для нормальныхспиральных галактик. Т. к. поверхностная яркость галактики определяетсязвёздами, то, во-первых, повыш. концентрация яркости означает повыш. концентрациюмассы, а во-вторых, исключает гипотезу короткой шкалы жизни активного ядра,~10⁸ лет, поскольку звёздная составляющая галактики не можетперераспределиться за столь короткое время. Следовательно, время жизниактивного ядра должно быть порядка возраста галактики, ~10¹⁰ лет, т. е. SyG - особый класс объектов, а не фаза в эволюции любой спиральнойгалактики. Возможно, именно повыш. концентрация массы и порождает активноеядро.

Корреляция нек-рых характеристик ядер с градиентом поверхностной яркоститакже указывает на связь активности ядра с галактикой в целом. Зависимостьот наклона галактики к лучу зрения отношения потока в эмиссионной линии к рентг. потоку свидетельствует о плоской конфигурации области формированияшироких линий, параллельной диску галактики. Зависимость амплитуды медленнойсоставляющей переменности ядер Syl от наклона галактики указывает на то, <что область формирования оптич. континуума (непрерывного спектра) такжеимеет плоскую структуру (возможно, аккреционный диск), параллельную плоскостигалактики.

Литература

1. Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. М., 1997.

2. Карпов М.М. Основные закономерности развития естествознания. Ростов н/Д., 1963.

3. Кедров Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. М., 1967.

4. Энгельс Ф. Диалектика природы // Маркс К., Энгельс Ф. Соч.2-е изд.Т. 20.

Краткое описание документа:

Человеку всегда было свойственно описывать окружающий мир, изучать и представлять его строение, рассказывать о своих представлениях об окружающем мире другим людям.

Под научной картиной мира понимается целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественно-научных понятий и принципов.