I. Особенности научного познания. Панорама современного естествознания

Концепции современного

Естествознания

 

 

Учебное пособие для студентов педагогического университета

художественно-графического факультета

 

 

Липецк 2010

 

УДК ББК С 506

Рекомендовано к печати кафедрой физики ЛГПУ

 

М.Ю. Смирнов, О.В. Голубева, С.Г. Жигаленко. Концепции современного естествознания: учебное пособие для студентов художественно-графического факультета. – Липецк: ЛГПУ, 2010. – 210 с.

 

 

Рецензенты:

 

 

Методические рекомендации для студентов

высших учебных заведений

 

 

Смирнов Михаил Юрьевич

Голубева Ольга Валентиновна

Жигаленко Светлана Григорьевна

 

 

© Липецкий государственный педагогический университет, 2010

© Смирнов М.Ю., 2010

© Голубева О.В., 2010

© Жигаленко С.Г., 2010

Содержание

 

Введение 5

I. Особенности научного познания. Панорама современного естествознания 6

1. Специфика научного знания 6

2. Наука: структура, методология, функции 9

3. Логика развития естествознания. Особенности современного этапа 16

4. Этапы развития науки 17

II. Современные научные представления о строении материи 23

1. Структурные уровни организации материи 23

2. Макромир: вещество и поле 25

3. Микромир: корпускулярно-волновой дуализм 27

4. Мегамир. Модели Вселенной 32

III. Физические картины мира 35

1. Понятие физической картины мира 35

2. Механическая картина мира 38

3. Электро-магнитная картина мира 41

4. Квантово-полевая картина мира 45

5. Соотношение динамических и статистических законов 48

6. Принципы современной физики 52

IV. Пространство и время в современной научной картине мира 61

1. Развитие представлений о пространстве и времени 61

2. Свойства пространства-времени 68

3. Своеобразие свойств пространства и времени на разных уровнях организации материи 70

V. Астрономическая картина мира 76

1. Структура и эволюция Вселенной 76

2. Солнечная система 94

3. Образование Солнечной системы 99

4. Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций 102

VI. Земля как предмет естествознания 106

1. Форма и размеры Земли Комплекс наук о Земле 106

2. Земля среди других планет Солнечной системы 109

3. История Земли 112

4. Геологическое развитие и строение Земли 114

5. Геосферы 118

6. Геодинамические процессы 128

VII. Современные концепции химии 132

1. Место и роль химии в современной цивилизации 132

2. Фундаментальные основы современной химии 135

3. Первый уровень химического знания. Учение о составе вещества 137

4. Второй уровень химического знания. Структурная химия 138

5. Третий уровень химического знания. Учение о химическом процессе 142

6. Четвертый уровень химического знания. Эволюционная химия 150

7. Концепция химического элемента. Концепция химических соединений 156

8. Проблема создания новых материалов 160

VIII. Биологическая картина мира 164

1. Основные признаки живых систем 164

2. Этапы развития биологического знания 169

3. Структурные уровни организации живых систем 175

4. Концепции происхождения жизни на Земле 179

5. Синтетическая теория эволюции 182

IX. Экология 185

1. Экосистемы. Основы круговорота вещества в экосистеме 185

2. Учение о биосфере 188

3. Ноосфера – сфера разума 190

4. Глобальные проблемы окружающей среды 192

X. Человек как предмет естественнонаучного познания. 194

1. Проблема антропосоциогенеза 194

2. Единство биологического и социального в человеке 199

3. Эмоции и чувства человека 205

4. Человек: жизнь и смерть 206

 

Введение

 

I. Особенности научного познания. Панорама современного естествознания

Специфика научного знания

Современный человек живет в мире, созданном трудом многих предшествующих поколений людей. Это не только_: мир вещей, но и образ поэзии, нормы нравственности, формы музыки, образы и символы религиозной веры, философские идеи, понятия и законы науки. Все это разные грани культуры. Человек как личность, как социальное существо формируется под воздействием культуры и ее инструментариев – воспитания и образования.

Начиная с Античности, сложилось представление о трех главных сторонах культуры – Истине, Добре, Красоте. Они являются главными ориентирами в духовном самоопределении человека. Эти три стороны культуры находят воплощение в разных сферах человеческой деятельности в науке, нравственности, искусстве. Особенно большую роль в современном обществе играет такая форма его духовной культуры, как наука.

На основе достижений современной науки перестраиваются все сферы человеческой деятельности – производство, управление, сфера обслуживания, медицина, образование, быт и др. Речь идет о процессах их компьютеризации, о разработке и применении новых технических устройств, технологий, словом – о научно-технической (информационно компьютерной) революции, которая определяет лицо современной эпохи. Отношение к науке неоднозначно: ее восхваляют и ругают, возлагают на нее огромные надежды и проклинают за современные беды человечества.

Трудно дать однозначное и законченное определение науки, поскольку: она многомерна (это и система знаний, и особый вид деятельности, и социальный институт, и часть духовной культуры общества); исторически изменчива (наука Античности, Средневековья, Нового времени, современная наука); многосортна (существует множество научных дисциплин).

Наука в своем историческом развитии сама становится предметом познавательного интереса со стороны философии и многих других областей современного знания (истории, социологии, экономики, психологии и др.). Из этого массива знаний возникло науковедение, которое помогает понять сущность науки, ее историю, структуру и динамику научного знания, его методологию (учение о способах, приемах познавательной деятельности), место и роль науки в общественной жизни.

Наука как часть человеческой культуры, есть деятельность по производству новых, объективно-истинных знаний о мире. Истоки науки лежат в глубокой древности: она начала формироваться около 2,5 тыс. лет назад. Мир науки возник не на пустом месте: первичные (донаучные) знания о мире и человеке накапливались в течение многих столетий существования первобытнообщинного строя. Это были эмпирические (опытные) знания, которые опирались на непосредственный практический опыт и наблюдения природных явлений. Мировосприятие людей в то время включало не только такие знания, но и мифы, верования, изустно передававшиеся от поколения к поколению.

Но этого было недостаточно, чтобы возникла собственно наука. Для этого должны были сложиться определенные условия: развитие материального производства и торговли, классовое расслоение общества и связанное с этим разделение умственного и физического труда, изобретение письменности и счета, высокий уровень развития абстрактного мышления. Такие условия сложились в Древней Греции. Первые древнегреческие философы были одновременно и естествоиспытателями: они пытались объяснить происхождение солнца и звезд, растений, животных и человека, стремились постичь мир в целом. Но главное открытие эллинского духа заключалось в понимании того, что сущность вещей не дана нам в наших непосредственных чувственных восприятиях. Она постигается с помощью мыслительной деятельности, вырабатывающей понятия, определения, которые связываются по правилам логического вывода и доказательства. Этот инструментарий познания природы оттачивался и совершенствовался в ходе философских споров о природе вещей, о происхождении и строении мира, о возможностях и путях достижения истинного знания.

Новый импульс для своего развития наука получила в эпоху Возрождения, с которой берет начало экспериментальное естествознание, набравшее силу в XVII-XVIII веках. В это время в Европе появляются первые научные общества, академии, начинают издаваться научные журналы. Это было не случайно: в европейских странах начиналась первая промышленная революция. В этот период бурно развиваются математика, физика, астрономия, биология, география и другие науки.

В конце XIX и особенно в XX веке возникают крупные научные институты и лаборатории с мощной технической базой. Технический прогресс европейской цивилизации ускорял и стимулировал развитие науки, обеспечивая ее материально-технической базой, финансовыми и людскими ресурсами. В свою очередь развитие науки многократно ускоряло темпы общественного развития.

Рассмотрим характерные черты науки:

1. Наука универсальна – в том смысле, что она сообщает знания, истинные для всего универсума при тех условиях, при которых они добыты человеком.

2. Наука фрагментарна – в том смысле, что изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры, а сама делится на отдельные дисциплины. Вообще понятие бытия как философское не применимо к науке, представляющей собой частное познание. Каждая наука как таковая есть определенная проекция на мир, как бы прожектор, высвечивающий области, представляющие интерес для ученых в данный момент.

3. Наука общезначима – в том смысле, что получаемые знания пригодны для всех людей, и ее язык – однозначный, поскольку наука стремится как можно более четко фиксировать свои термины, что способствует объединению людей, живущих в самых разных уголках планеты.

4. Наука обезличенна – в том смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания никак не представлены в конечных результатах научного познания.

5. Наука систематична – в том смысле, что она имеет определенную структуру, а не является бессвязным набором частей.

6. Наука незавершенная – в том смысле, что, хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины, после которой уже нечего будет исследовать.

7. Наука преемственна – в том смысле, что новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями.

8. Наука критична – в том смысле, что всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты.

9. Наука достоверна – в том смысле, что ее выводы требуют, допускают и проходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам.

 

10. Наука внеморальна – в том смысле, что научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания (этика ученого требует от него интеллектуальной честности и мужества в процессе поиска истины), либо к деятельности по его применению.

11. Наука рациональна – в том смысле, что получает знания на основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формулирования теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня.

12. Наука чувственна – в том смысле, что ее результаты требуют эмпирической проверки с использованием восприятия и только после этого признаются достоверными.

Эти свойства науки образуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность – фрагментарность, общезначимость – обезличенность, систематичность – незавершенность, преемственность – критичность, достоверность – внеморальность, рациональность – чувственность.

Макромир: вещество и поле

Мир, с которым мы имеем дело в повседневном опыте и который доступен нашему восприятию, это – макромир (от греч. – «большой»). Поэтому макромир и стал первоначальным объектом научного познания. Уже древнегреческие мыслители осознали, что существует большая разница между тем, как выглядят наблюдаемые нами явления природы, и тем, каковы они в действительности. Из этого родился вопрос: как устроен и из чего состоит наш мир? Размышляя над этим, вопросом, некоторые античные философы пришли к выводу, что в основе всей действительности лежат некоторые вещественные первоначала, из которых построено все в мире. Чаще всего это были вода, воздух, земля, огонь.

Первым, кто стал утверждать, что все на свете состоит из атомов (от греч. – «неделимый»), был древнегреческий философ Демокрит. Атомы Демокрита – неделимые, плотные, непроницаемые вечные материальные (от лат. – «вещественные») частицы, которые различаются величиной, формой, положением. Они не воспринимаются чувствами, а постигаются разумом. Различное сочетание атомов образует бесконечное разнообразие всех вещей, атомы обладают подвижностью и перемещаются в пустоте. Хотя в последствии большинство этих положений было переосмыслено, атомистические идеи оказались плодотворны для развития естествознания с первых его шагов и до наших дней.

Античная атомистика послужила фундаментом и для классического естествознания XVII-XVIII вв. И.Ньютон, например, утверждал в своей «Оптике»: «Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых подвижных частиц...» Согласно существовавшим в то время механистическим представлениям мир есть совокупность вещей, состоящих из неделимых частиц (атомов), которые подчиняются законам механического движения.

И. Ньютон утверждал, что свет есть материальная субстанция, которая в виде светящихся телец (корпускул), испускается раскаленными телами и распространяется в пустом пространстве (корпускулярная теория света). Из таких представлений вытекала так называемая теория дальнодействия. Дальнодействие или действие на расстоянии мыслилось как мгновенное распространение гравитационных сил и света через абсолютно пустое пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному провидению.

В противоположность такому подходу развивалась теория близкодействия, согласно которой абсолютно пустого пространства не существует. В действительности оно заполнено особой вещественной непрерывной средой – эфиром. Распространение тяготения и света в эфире происходит благодаря передаче возмущений от точки к точке. Сторонниками теории близкодействия были французский философ и ученый Р. Декарт и датский ученый Х. Гюйгенс. Последователями Гюйгенса в XIX в. стали физики Т. Юнг и О. Френель. Открытие таких свойств света, как дифракция и интерференция принесли триумф волновой теории света.

Научные открытия XIX века (Гальвани, Вольта, Ш. Кулона, А. Ампера и особенно М. Фарадея) обнаружили связь между электрическими, магнитными и оптическими явлениями. На их основе была создана электродинамика – теория, качественно отличная от прежних естественнонаучных теорий механистического характера. Основные законы электродинамики сформулировал в математической форме английский физик Дж. Максвелл(1831-1879), который первым ввел понятие электромагнитного поля. Законы Максвелла и описывают движение электромагнитного поля – объекта непосредственно не воспринимаемого, невидимого, но тем не менее способного оказывать влияние на определенные физические процессы и вызывать магнетизм.

Дж. Максвелл обнаружил также, что свет – лишь один из видов электромагнитных колебаний, существующих в природе. Кроме прочего, он математически показал, что процесс распространения электромагнитных волн в вакууме протекает с конечной, хотя и очень большой скоростью (по современным представлениям – около 300 тыс. км/сек.).

Концепция поля окончательно утвердила в физике принцип близкодействия, объяснила его механизм: взаимодействие двух удаленных тел (источника и приемника поля) осуществляется путем передачи электромагнитных возмущений от точки к точке в окружающем их пространстве.

Этим значение теории поля не ограничивается: она фактически изменила всю физическую картину мира. Обнаружилась новая, полевая реальность, которую оказалось невозможно объяснить на основе механических законов. Правда, сам Максвелл пытался дать истолкование поля с помощью механических аналогий. Да и многие физики того времени надеялись: рано или поздно выяснится, что электромагнитные поля – это состояния частиц вещества. Другие считали, что реально существует только вещество, а электромагнитные волны – только создания ума, абстрактные понятия, облеченные в математическую форму.

Всеобщее признание теория Максвелла получила только спустя 28 лет после ее выдвижения, когда немецкий физик Г. Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны. Это открытие было практически использовано для радиосвязи. Дальнейшие исследования показали, что электромагнитное поле обладает главными свойствами материи: энергией (Г. Герц), давлением (П.Н. Лебедев), а следовательно, и массой (Дж. Томсон), но не массой покоя, как вещество (свет в покое не существует), а так называемой электромагнитной массой.

В результате стало ясно, что наряду с веществом в природе реально существует электромагнитное поле, которое отличается от вещества. Таким образом, макромир предстал как совокупность материальных явлений, имеющих либо четко выраженную дискретную, т.е. прерывную (вещество), либо континуальную, т.е. непрерывную (поле) природу.

Иная картина предстала перед наукой, когда она обратилась к изучению микрообъектов, открытие которых было связано с углублением физики в фундаментальные структуры материального мира.

Мегамир. Модели Вселенной

Современные космологические представления смогли возникнуть только после создания квантовой физики.

Вопросы мироздания волновали уже древних мыслителей. Так, древнегреческие философы стали использовать слово «космос» (букв. – «порядок») для обозначения определенным образом упорядоченного мира, возникающего после хаоса (букв. – «беспорядок»). Конечный космос Птолемея был ограничен сферой неподвижных звезд. В центре его – Земля, обитатель которой – человек есть центр Вселенной. В XVII в. птолемеевская модель начала вытесняться гелиоцентрической Вселенной Н. Коперника, Уточнения в ее строение и кинематику внесли открытия И. Кеплера (законы движения планет) и И. Ньютона. Вселенная предстала как огромное собрание космических тел, подчиняющихся законам классической механики, в том числе – закону всемирного тяготения. Небесная механика И. Ньютона свидетельствовала о вечности и неизменности солнечной системы, за пределы которой она еще не выходила.

С открытием закона сохранения энергии стало ясно, что солнечная система невечна. Так возник вопрос о происхождении солнечной системы. Современная эволюционная астрофизика позволяет выйти за рамки ближнего космоса во Вселенную.

Ближний космос – фактически Солнечная система. Ее образуют Солнце – огромное плазменное тело, стянутое электромагнитными и гравитационными полями и выделяющее огромную энергию за счет ядерных реакций в ее недрах, вокруг которого по эллиптическим орбитам вращаются планеты с их спутниками.

Большие скопления звездных и планетных систем, межзвездной пыли и газа образуют огромные звездные острова – млечные пути. На современном астрономическом языке – галактики. Солнечная система принадлежит к одной из галактик. Наша Галактика представляет собой гигантскую эллипсовидную спиралеобразную систему, в центре которой сосредоточена основная масса звезд. Солнце представляет собой одну из сотен миллиардов звезд в нашей галактике, находится на ее окраине и вращается вокруг ее ядра, делая полный оборот за 200 млн. лет (галактический год).

Как утверждает современная наука, Солнце существует около 6 млрд. лет, Земля – 4,6 млрд. лет. За время существования Земли она вместе с Солнцем сделала 23 оборота вокруг центра Галактики, а вместе с человеком ею была пройдена всего 1/66 часть галактической орбиты. В настоящее время Солнце движется в той части Галактики, где ее ядро закрыто от Земли обширной пылевой туманностью – своеобразным экраном, предохраняющим Землю от излучения галактического ядра.

Отдельные галактики образуют скопления – системы галактик. Система взаимодействующих скоплений галактик образует еще более высокий уровень организации материи – Метагалактику. В нее входит несколько десятков миллиардов разного рода галактик. Некоторые ученые отождествляют Метагалактику со Вселенной в целом. Другие считают Метагалактику ограниченной, наблюдаемой (в радиусе 10²⁶ м) частью Вселенной. Третьи утверждают, что бесконечный материальный мир представляет собой множество вселенных, находящихся в разных состояниях, сосуществующих одновременно и, возможно, взаимодействующих между собой.

Большинство ученых считало, что Вселенная статична, стационарна, т.е. не изменяет свое состояние с течением времени. Это мнение разделял и А. Эйнштейн, разработавший теорию относительности.

Итак, Эйнштейн исходил из представления о статичной Вселенной. Между тем уравнения общей теории относительности (ОТО) свидетельствовали об обратном: Вселенная, где господствуют силы взаимного тяготения тел, не может быть устойчивой – она начнет либо расширяться, либо сжиматься. Чтобы преодолеть этот, как считал А. Эйнштейн, недостаток, он ввел в уравнения ОТО новую величину – «космологическую постоянную», которая описывала силы отталкивания, компенсирующие силы тяготения. В результате была построена релятивистская модель стационарной Вселенной (1917 г.).

Спустя пять лет молодой ленинградский физик и математик А.А. Фридман предложил иное решение уравнений Эйнштейна. Оно показало: Вселенная развивается и видоизменяется, все время испытывая расширение. Но тогда выходило, что оно началось в некий момент времени. Математические расчеты показали нечто невероятное: вся материя и вся энергия в момент расширения должны быть сосредоточены в бесконечно малом объеме. Так была построена модель нестационарной (изменяющейся во времени) Вселенной (подробнее в Астрономической картине мира).

Итак, естествознание XX века, все больше раздвигая «верхний» и «нижний» пределы познания материальной действительности. Огромную роль здесь играют квантовые и релятивистские представления, которые дают все более глубокое и точное понимание строения материи, включая классическую механику в качестве своего частного случая. Но степень сложности материального мира всегда будет превосходить объяснительные возможности даже самых современных теорий. Сущность природы неисчерпаема, а потому процесс ее познания всегда остается незавершенным, т.е. открытым для дальнейших, более глубоких и полных исследований.

Механическая картина мира

Становление механической картины мира происходило под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ее основу составили идеи и законы механики, которая в XVII в. была наиболее разработанным разделом физики. По сути, именно механика явилась первой фундаментальной физической теорией.

Важнейшими понятиями механики являются материальная точка – тело, формы и размеры которого не существенны в данной задаче; абсолютно твердое тело – тело, расстояние между любыми точками которого остается неизменным, а его деформацией можно пренебречь. Оба вида материальных тел характеризуются с помощью следующих понятий: масса – мера инертности тела; вес – сила, с которой тело действует на опору. Масса всегда остается постоянной, вес же может меняться. Эти понятия выражаются через следующие физические величины: координаты, импульсы, энергию, силу.

Основу механической картины мира составил атомизм – теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц – атомов (корпускулярное представление о материи).

Законы механики считались фундаментальными законами мироздания. Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы. Единственной формой движения является механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Движение объяснялось на основе трех законов Ньютона. Закономерности более высоких форм движения материи должны сводиться к законам простейшей ее формы – механическому движению.

Все многообразие взаимодействий механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами; величина этих сил определялась законом всемирного тяготения. Поэтому, зная массу одного тела и силу гравитации, можно определить массу другого тела. Гравитационные силы являются универсальными, т.е. они действуют всегда и между любыми телами и сообщают любым телам одинаковое ускорение.

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия: взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников, т.е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает. Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени.

Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и абсолютное время. Оно становилось универсальной длительностью всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи. Таким образом, пространство, время и материя представляют три не зависящих друг от друга сущности.

В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями (лапласовский детерминизм). В таком мире нет случайностей, она полностью исключалась из картины мира. Такой жесткий детерминизм находил свое выражение в форме динамических законов (второй закон И. Ньютона).

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Присутствие человека в мире ничего не меняло, если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать как ни в чем не бывало.

Успехи механической картины мира (разработка земной, небесной и молекулярной механики) привели к абсолютизации механической картины мира, выразилось в попытках свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи (механистический материализм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии, поскольку описать тепловые, электрические и магнитные явления с помощью законов механики, а также движение атомов и молекул оказалось невозможно. В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир.

Оценивая механическую картину мира как один из этапов развития физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные положения механической картины мира не были просто отброшены. Развитие науки лишь раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея – механицизм. В недрах механической картины мира стали складываться элементы новой – электромагнитной – картины мира.

Принципы современной физики

Важной частью современной физической картины мира являются принципы современной физики – наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.

Принцип симметрии

Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность) – однородность, пропорциональность, гармония каких-либо материальных объектов. Многие творения человека и природы имеют симметричную форму, например, мячи, здания и сооружения, снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т.д.

Симметрии могут быть как наглядными (перечислены выше), так и сугубо математическими, связанными с уравнениями, описывающими физическое явление. Сегодня математическое исследование, основанное на анализе симметрии, может стать источником выдающихся открытий в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно, они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику продвигаться к более глубокому пониманию мира.

С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность – это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.

Симметрия в физике – это свойство физических величин, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных их преобразованиях.

Симметрии в физике тесно связаны с законами сохранения физических величин – утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или определенных классах процессов.

Так, закон сохранения энергии вытекает из однородности времени. Время симметрично относительно начала отсчета, все моменты времени равноправны.

Закон сохранения импульса следует из однородности пространства. Все точки пространства равноправны, поэтому перенос системы никак не повлияет на ее свойства.

Закон сохранения момента импульса исходит из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.

Также имеет место целый ряд симметрий, действующих в микромире. Они описывают различные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов сохранения, как закон сохранения электрического заряда, барионного и лептонного зарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в. подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.

Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма, присущего квантовым объектам. Квантовый объект – это не частица и не волна, и даже не то и другое одновременно, это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы, для выражения которого мы не имеем соответствующих понятий.

Поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с классическим прибором (макрообъектом), то и описывать исследуемый микрообъект следует в классических понятиях, т.е. использовать понятие волны и частицы. Мы вынуждены говорить на классическом языке, потому что другого у нас нет. Для более полного исследования микрообъекта мы должны использовать два типа приборов: один из них позволяет изучать волновые свойства микрообъекта, другой – корпускулярные. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. В этом и заключается суть принципа дополнительности.

Принцип дополнительности, как общий принцип познания, может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью классических определений и требует для своего описания, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.

Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет содержаться в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого – во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. В классической физике этот принцип неуниверсален и выполняется когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Примером может служить правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело или получается результирующее электромагнитное поле, образованное несколькими источниками.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Если микрообъект может находится в одном из двух состояний, то он может находиться и в любом другом состоянии, которое описывается линейной комбинацией или суперпозицией этих состояний.

Принцип соответствия

Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с ситуацией, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились новые теории (теория относительности Эйнштейна), описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий, в частности, то, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.

Поэтому теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.

Основные принципы теории относительности

Между классической механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла к середине XIX в. возникли серьезные противоречия в результате которых появилась новая физическая теория – теория относительности. Механика опиралась на классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а электродинамика на концепцию эфира – ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство и являющейся абсолютной системой координат. Таким образом, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими.

Нидерландский физик X. Лоренц, решая данное противоречие, вывел математические уравнения, преобразованиями Лоренца, для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на этих телах, в зависимости от скорости движения.

В 1905 г. в журнале «Анналы физики» появилась статья А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней и были сформулированы основы специальной теории относительности. Он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галиле