Физическая картина мира

Физическая картина мира

1.Введение.

Познание единичных вещей и процессов невозможно без одновременного

познания всеобщего, а последнее в свою очередь познается только через

первое. Сегодня это должно быть ясно каждому образованному уму. Точно также

и целое постижимо лишь в органическом единстве с его частями, а часть может

быть понята лишь в рамках целого. И любой открытый нами "частный" закон -

если он действительно закон, а не эмпирическое правило - есть конкретное

проявление всеобщности. Нет такой науки, предметом которой было бы

исключительно всеобщее без познания единичного, как невозможна и наука,

ограничивающая себя лишь познанием особенного.

Всеобщая связь явлений - наиболее общая закономерность существования

мира, представляющая собой результат и проявление универсального

взаимодействия всех предметов и явлений и воплощающаяся в качестве научного

отражения в единстве и взаимосвязи наук. Она выражает внутреннее единство

всех элементов структуры и свойств любой целостной системы, а также

бесконечное разнообразие отношений данной системы с другими окружающими ее

системами или явлениями. Без понимания принципа всеобщей связи не может

быть истинного знания. Осознание универсальной идеи единства всего живого

со всем мирозданием входит в науку, хотя уже более полувека назад в своих

лекциях, читанных в Сорбонне, В.И.Вернадский отмечал, что ни один живой

организм в свободном состоянии на Земле не находится, но неразрывно связан

с материально энергетической средой. "В нашем столетии биосфера получает

совершенно новое понимание. Она выявляется как планетное явление

космического характера".

Естественнонаучное миропонимание (ЕНМП) - система знаний о природе,

образующаяся в сознании учащихся в процессе изучения естественнонаучных

предметов, и мыслительная деятельность по созданию этой системы.

Понятие "картина мира" является одним из фундаментальных понятий

философии и естествознания и выражает общие научные представления об

окружающей действительности в их целостности. Понятие "картина мира"

отражает мир в целом как единую систему, то есть "связное целое", познание

которого предполагает "познание всей природы и истории..."

В основе построения научной картины мира лежит принцип единства

природы и принцип единства знания. Общий смысл последнего заключается в

том, что знание не только бесконечно многообразно, но оно вместе с тем

обладает чертами общности и целостности. Если принцип единства природы

выступает в качестве общей философской основы построения картины мира, то

принцип единства знаний, реализованный в системности представлений о мире,

является методологическим инструментом, способом выражения целостности

природы.

Система знаний в научной картине мира не строится как система

равноправных партнеров. В результате неравномерного развития отдельных

отраслей знания одна из них всегда выдвигается в качестве ведущей,

стимулирующей развитие других. В классической научной картине мира такой

ведущей дисциплиной являлась физика с ее совершенным теоретическим

аппаратом, математической насыщенностью, четкостью принципов и научной

строгостью представлений. Эти обстоятельства сделали ее лидером

классического естествознания, а методология сведения придала всей научной

картине мира явственную физическую окраску.

В соответствии с современным процессом "гуманизации" биологии

возрастает ее роль в формировании научной картины мира. Обнаруживаются две

"горячие точки" в ее развитии... Это - стык биологии и наук о неживой

природе, и стык биологии и общественных наук...

Представляется, что с решением вопроса о соотношении социального и

биологического научная картина мира отразит мир в виде целостной системы

знаний о неживой природе, живой природе и мире социальных отношений.

2. История развития взглядов на

пространство и время в истории науки.

Даже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью

пространства и времени. Так, одни из философов отрицали возможность

существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были

представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ

из г. Акраганта, Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности

пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он

говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства

не существует.

Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота

существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и

соединений.

В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и

времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И

только в "Началах" древнегреческого математика Евклида пространственные

характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это

время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном

пространстве.

Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде

"Альмагест", господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла

собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было

бесконечным, а пространство конечным, включающим в себя равномерное

круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины

произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе

"Об обращениях небесных сфер". Принципиальное отличие этой системы мира от

прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного

пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический

базис.

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее

существовавшие представления о ее уникальности, "единственности" центра

вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила

существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественнонаучной

мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность

Вселенной и пространства. В своем произведении "О бесконечности, Вселенной

и мирах" Бруно писал: "Вселенная должна быть бесконечной благодаря

способности и расположению бесконечного пространства и благодаря

возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...".

Представляя Вселенную как "целое бесконечное", как "единое, безмерное

пространство", Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно

"не имеет края, предела и поверхности".

Практическое обоснование выводы Бруно получили в "физике неба" И.

Кеплера и в небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине

движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил

универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними

расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах.

Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического

учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея. Он ввел в

механику точный количественный эксперимент и математическое описание

явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл

открытый им общий принцип классической механики — принцип относительности

Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления

происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно

и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие

системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея

отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно

малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают

инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с

рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную

физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том,

что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных

материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался

объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество,

магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара

при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею

близкодействия.

Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную

систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось

как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии

привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого

тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с

протяженностью.

Декарт развил также представление о соотношении длительности и

времени. Длительность, по его мнению, "соприсуща материальному миру. Время

же — соприсуще человеку и потому является модулем мышления". "... Время,

которое мы отличаем от длительности, — пишет Декарт в "Началах философии",

— есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим... ".

Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в

доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы

изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили

математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и

времени в рамках классической механики.

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие

математические обоснования, представлена в классической механике И.

Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный

закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила

тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами

независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна

произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между

ними.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и

возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не

конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать

множество космических объектов — центров гравитации. Так, в рамках

ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о

бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты,

связанные между собой силой тяготения.

В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона "Математические начала

натуральной философии". Этот труд более чем на два столетия определил

развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы

основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени,

места и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как

"вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается

в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка

положения".

Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени:

абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся,

обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:

- Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей

сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно

и иначе называется длительностью.

- Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или

изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности,

употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени,

как-то: час, день, месяц, год.

- Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то

ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное

пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая

определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и

которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий

абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой

теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне

классической механики представления об абсолютном пространстве и времени

играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно

выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как

законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах

отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия

"пространства" и "времени" ограничены чувствами и свойствами познающей

личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они

выступают в качестве относительного времени и пространства.

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную

реакцию со стороны его современников — естествоиспытателей и философов. С

критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил

немецкий ученый Г.В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию

пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как

абсолютных сущностей.

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и

времени, Лейбниц пишет: "Считаю пространство так же, как и время, чем-то

чисто относительным: пространство — порядком сосуществовании, а время —

порядком последовательностей".

Предвосхищая положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной

связи пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и

время не могут рассматриваться в "отвлечении" от самих вещей. "Мгновения в

отрыве от вещей ничто, — писал он, — и они имеют свое существование в

последовательном порядке самих вещей".

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на

развитие физики, так как реляционная концепция пространства и времени была

недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов

движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это

было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся

ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес

обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на

основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей

вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с пространством и

временем, заключаются в следующем.

- Пространство считалось бесконечным, плоским, "прямолинейным",

евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно

рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет

выделенных точек и направлений) и выступало в качестве "вместилища"

материальных тел, как независимая от них инерциальная система.

- Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет

сразу и везде во всей Вселенной "единообразно и синхронно" и выступает как

независимых материальных объектов процесс длительности, Фактически

классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее

свойство времени "показывать последовательность события”. Значение указаний

времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от

состояния движения тела отсчета.

- Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований

Галилея-Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным

системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в

классической механике.

- Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и

универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории

дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение,

которое с 6есконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло

силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия

объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного

пространства, существующего независимо от времени.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она

рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней

свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных

явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с

механическими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и

направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных

процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж. К.

Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по

прямым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а

с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием электродинамики и

оптики становилось все очевиднее, что "недостаточно одной классической

механики для полного описания явлений природы". Из теории Максвелла вытекал

вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и

существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали

рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким

образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и

принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по

словам Эйнштейна, явилось "самым важным достижением со времени Ньютона".

Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было

очень существенно для описания физических свойств пространства и времени.

Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений

Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и

магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил

Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в конце XIX в.

физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению

мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном. Его опыт

доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения

классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались

объяснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указывающие на

реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении

движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел математические

уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений

движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них,

в зависимости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца отражаются не

реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить лишь в

абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от

движения системы отсчета.

Таким образом, относительными оказывались и "длина", и "промежуток

времени" между событиями, и даже "одновременность" событий. Иначе говоря,

не только всякое движение, но и пространство, и время.

3. Свойства пространства и времени

Какие же основные свойства пространства и времени мы можем указать?

Прежде всего пространство и время объективны и реальны, т. е. существуют

независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности.

Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории

науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время — как

только субъективных всеобщих форм нашего созерцания.

Согласно этой точке зрения, пространство и время не присущи самим

вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается

относительность нашего знания на каждом историческом этапе его развития.

Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта.

Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами

бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне

пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является

абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и

вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в

пространстве.

Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение

любого предмета может быть точно определено только с помощью трех

независимых величин — координат. В прямоугольной декартовой системе

координат это — X, У, Z., называемые длиной, шириной и высотой. В

сферической системе координат — радиус-вектор r и углы a и b (3. В

цилиндрической системе — высота г, радиус-вектор и угол а.

В науке используется понятие многомерного пространства (и-мерного).

Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному

пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например, 6-мерного

пространства может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой

физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т. д. В

последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области

микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 — пространственных

и одно — временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум (с лат. —

Страницы: 1, 2