Электромагнитная картина мира

Электромагнитная картина мира

На протяжении XIX в. продолжались попытки объяснить электромагнитные явления в рамках механической картины мира. Но это оказалось невозможным: электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов. Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фа-радея и Дж. Максвелла. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Свою теорию Максвелл разработал на основе открытого Фара-деем явления электромагнитной индукции. Проводя эксперименты с магнитной стрелкой, стремясь объяснить природу электрических и магнитных явлений, Фарадей пришел к выводу, что вращение магнитной стрелки обусловлено не электрическими зарядами, которые находятся в проводнике, а особым состоянием окружающей среды, которое возникало в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим он ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Это открытие привело Фа-радея к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи новыми континуальными, непрерывными.

Теория электромагнитного поля Максвелла сводится к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Так в физику была

введена новая реальность — электромагнитное поле. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с этой теорией мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, известных как уравнения Максвелла.

Сущность уравнений классической электродинамики сводится к закону Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона Электромагнитная картина мира. а также к утверждениям о том,

что магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца; магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.

Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля, что позволяет единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.

Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальными, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Кардинально изменились лишь представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым). Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным

пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Согласно электромагнитной картине мира, материя существует в двух видах — вещество и поле. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая постоянно новые области пространства. Заполнение пространства электромагнитным полем нельзя описать на основе законов Ньютона, так как механика не понимает этого механизма. В электромагнетизме изменение одной сущности (магнитного поля) приводит к появлению другой сущности (электрического поля). Обе эти сущности образуют в совокупности электромагнитное поле. В механике же одно материальное явление не зависит от изменения другого, и вместе они не создают единой сущности.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Концепция абсолютного пространства и абсолютного времени Ньютона не подходила к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля — это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время нельзя рассматривать как самостоятельные, независимые от материи сущности. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени.

Первоначально в понимании пространства и времени электромагнитная картина мира исходила из убеждения, что абсолютное пустое пространство заполнено мировым эфиром. С неподвижным эфиром ученые пытались связать абсолютную систему отсчета. При этом для объяснения многих материальных явлений эфиру приходилось приписывать необычные свойства, зачастую противоречащие друг другу. Однако создание специальной теории относитель-

ности вынудило ученых отказаться от идеи эфира, поскольку данная теория исходила из относительности длины, времени и массы, т.е. из их зависимости от системы отсчета. Поэтому лишь к началу XX в. абсолютная концепция пространства и времени уступила место реляционной (относительной) концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга. При этом пространство и время являются свойствами материальных тел.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

Законы электродинамики, как и законы классической механики, все еще однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайность пытались исключить из физической картины мира. Однако в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

Не менялось в электромагнитной картине мира и представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды еще более упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет ограниченный характер. Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств — заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все

это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной мира. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.

Электромагнитная картина мира

Электромагнитная картина мира

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «РИНХ»
ФАКУЛЬТЕТ КОММЕРЦИИ И МАРКЕТИНГА
КАФЕДРА ФИЛОСОФИИ И КУЛЬТУРОЛОГИИ
РЕФЕРАТ
на тему: «Электромагнитная картина мира» Выполнил:
студент гр. 211 Е.В. Попов
Проверил:
Ростов — на — Дону
2008

Содержание
Введение
1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма
2. Теория электромагнитного поля Д. Максвелла
3. Электронная теория Лоренца
Заключение
Список используемой литературы

Введение
Одной из важнейших характеристик человека, отличающей его от животного, является то, что он в своих действиях опирается на разум, на систему знаний и их оценку. Поведение людей, степень эффективности решаемых ими задач, конечно, зависит от того, насколько адекватно и глубоко их понимание реальности, в какой мере они могут правильно оценивать ту ситуацию, в которой им приходится действовать и применять свои знания.
С давних пор в человеческой жизни большое значение приобретали не только те знания, которые имели непосредственное практическое значение, но и те, которые относились к общим представлениям о природе, обществе и самом человеке. Именно последние как бы скрепляют в единое целое духовный мир людей. На их основе возникали, формировались и развивались традиции во всех сферах человеческой деятельности. Важную роль при этом играет то, как человек представляет устройство мира. Человеческое самосознание стремится представить себе окружающий мир, т.е. увидеть мысленным взором то, что называют Вселенной, и найти свое место среди окружающих вещей, определить свое положение в космической и природной иерархии. С древних времен людей беспокоят вопросы об устройстве мироздания, о возможности его познания, его практического освоения, о судьбах народов и всего человечества, о счастье и справедливости в человеческой жизни. Без стремления постичь мир в его целостности, желания понять природу и общественные явления человечество не создало бы ни науки, ни искусства, ни литературы.
Современная наука нацелена на построение единой, целостной картины мира. изображая ее как взаимосвязанную «сеть бытия». В общественном сознании исторически складываются и постепенно изменяются разные картины мира. которые обычный человек воспринимает как данность, как объективность, существующую независимо от наших личных мнений. Картина мира означает как бы зримый портрет мироздания, образно ­ понятийную копию Вселенной, взглянув на которую, можно понять и увидеть связи действительности и свое место в ней. Она подразумевает понимание того, как устроен мир, какими законами он управляется, что лежит в его основе и как он развивается. Поэтому понятие «картина мира» занимает особое место в структуре естествознания.
Картины мира отводят человеку определенное место во Вселенной и помогают ему ориентироваться в бытии. Каждая из картин мира дает свою версию того, каков мир на самом деле и какое место занимает в нем человек. Отчасти картины мира противоречат друг другу, а отчасти взаимодополнимы и способны составлять целое. С развитием науки на смену одной картине мира приходит другая. Это называют научной революцией, понимая под ней коренную ломку прежних представлений о мире. Каждая картина мира сохраняет от своих предшественниц лучшее, важнейшее, отвечающее объективному устройству Вселенной. Новая картина сложнее старой. С философской точки зрения мир есть действительность, взятая как целое, схваченная в некотором ее качественном единстве. Однако мир как целое не дан нам непосредственно, поскольку мы занимаем конкретную позицию; мы частичны и ограничены небольшим сегментом реальности.

1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма
Рассмотрим электромагнитную картину мира со времен ее зарождения. Существенный вклад в эту картину внесла физика.
Электромагнитные явления были известны человечеству с древности.
Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вытекал вывод, что свет — разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.
Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».
Разработав электромагнитную картину мира, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

3. Электронная теория Лоренца
Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.
В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой — на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1897 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.
Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.
1. В металле есть свободные электроны — электроны проводимости, образующие электронный газ.
2. Основание металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.
3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.
4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.
Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах XX в.

Заключение
Как было рассмотрено ранее, электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение всего XX в. Она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это была картина классической физики.
Основные ее черты следующие. Согласно этой картине материя существует в двух видах — веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля — электромагнитное и гравитационное, соответственно — два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие — оптические, химические, тепловые. Все в большей степени сводится к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение.
В качестве элементарных «кирпичиков», из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы — электрон, протон и фотон. Фотоны — кванты электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм «примиряет» волновую природу поля с корпускулярной, т.е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные «кирпичики» вещества — электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку. Ядро состоит из протонов. Силы, действующие в веществе, сводятся к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра;

Электромагнитная картина мира

Электромагнитная картина мира (ЭКМ) основана на идее динамического атомизма, континуальном понимании материи и связанном с ним понятии близкодействия, которое внес М. Фарадей. Уравнения Дж. Максвелла отразили эти идеи и привели к понятию поля без построения механических корпускулярных моделей. Попытку соединить идеи поля и частиц-электронов предпринял Х.А.Лоренц, но возникла проблема увеличения эфира быстро движущимися частицами. Эта проблема была решена только созданием специальной и общей теорий относительности (СТО и ОТО). Ожидали, что всеобщий охват мира природы способна дать электродинамическая картина мира, соединявшая СТО и ОТО с теорией Максвелла и механикой. Свойства пространства-времени начали зависеть от распределения и движения масс, т. е. стали относительными, понятие поля — универсальным, структуру поля стали отождествлять со структурой Вселенной. На основании понятия поля старались единообразно описать все взаимодействия в природе. Сочетанием непрерывности и дискретности отличалась модель атома Бора (1913).

^ Квантово-полевая картина мира (КПКМ) отразила открытия, связанные со строением вещества и взаимосвязью вещества и энергии. Изменились представления о причинности, роли наблюдателя, самой материи, времени и пространстве. Во Вселенной, подчиненной законам квантовой гравитации, кривизна пространства-времени и его структура должны флуктуировать, так как квантовый мир никогда не находится в покое. Поэтому понятия прошлого и будущего, последовательность событий в таком мире тоже должны быть иными. Пока обнаружены не все изменения, так как квантовые эффекты проявляются в исключительно малых масштабах. Теория квантовой гравитации должна была соединить ОТО и квантовую механику, и хотя такой синтез пока осуществить не удалось, на этом пути было открыто много нового и интересного.

Основная цель картин мира — объяснение и истолкование фактов и теорий, тогда как одной из целей теорий является описание опытных фактов. Планк считал, что НКМ «служит лишь средством связи между реальным миром и чувственными восприятиями естествоиспытателя», большое значение ей придавали А. Эйнштейн, Д. И. Менделеев, В. И. Вернадский и другие ученые. Более широко НКМ понимали как миросозерцание. В этом случае НКМ отождествляли с философскими учениями о мире в целом. До середины

XX в. под картиной мира понималось представление о природе в целом, составленное на основании достижений физики.

^ Современная, эволюционная картина мира отражает появление междисциплинарных подходов и технические возможности описания состояний и движений сложных систем, позволившие рассматривать единообразно явления живой и неживой природы. Синергетический подход ориентируется на исследование процессов изменения и развития. Принцип самоорганизации позволил изучать процессы возникновения и формирования новых, более сложно организованных систем. Современная картина мира включает естественно-научное и гуманитарное знание.

^ 1.5. Математическая научная программа в развитии

Математическая программа, выросшая из философии Пифагора и Платона, начала развиваться уже в античные времена. В основе программы лежит представление о Космосе как упорядоченном выражении начальных сущностей, которые могут быть разными.

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 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, Дж. Максвеллом, Г.Герцем.

М.Фарадей, отказываясь от концепции дальнодействия (как переносчика взаимодействия), вводит понятие физического поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязи, телевидениие и т.д.).

Дж.Максвелл развивает теорию электромагнитного поля.

Г.Герц экспериментально открывает электромагнитные волны.

А. Попов, Маркони – реализовали в практической жизни радиосвяь.

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 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.

Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к нескольким математически соотношениям.

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

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. Именно она и стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.

Уже на рубеже XIX…XX веков 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 явлений.

Эпоха электромагнитной картины мира завершалась. Несмотря на это, электромагнитная картина мира создала такую науку, без которой трудно представить современную жизнь — способы получения и использования электрической энергии (электрического освещения и отопления, электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение) и т.д.

Квантово-полевая картина мира

Практические потребности людей, их постоянный интерес к вопросу об устройстве мира и неудовлетворенность в решении фундаментальных научных закономерностей 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 другие известные 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.

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, силовом взаимодействии, масса приравнивается энергии.

Благодаря экспериментам и теоретическим изысканиям у физиков ХХ века появилось ощущение необыкновенного могущества, когда наука существенно продвинулась в изучении строения атома и атомного ядра, природы элементарных частиц. Не случайно основоположниками молекулярной биологии считаются в том числе и известные физики (Эрвин Шрёдингер, Макс Дельбрюк).

Это чувство подкрепилось в середине и во второй половине ХХ века, когда законы современной физики оказалось возможным применить к явлениям жизни, особенно в конфликтных и кризисных ситуациях.

В квантово-полевой картине мира рассматриваются, изучаются и объясняются явления, остававшиеся загадочными в картинах мира, возникших на более ранних этапах развития науки, решаются задачи, неразрешимые для мыслителей древности, представителей механической и электромагнитной картин мира.

Изучение микромира до расстояний 10 -17 м и мегамира до расстояний 10 27 м было бы невозможно в рамках электромагнитной картины мира. И электрический ток в полупроводниках (исследование которого обеспечило нас современными компактными радио-, телевизионными и светогенераторными устройствами, компактными мобильными средствами связи, быстродействующими компьютерами); явления сверхпроводимости и новые конструкционные материалы — все это рассматривается и объясняется квантово-полевой картиной мира.

При этом, развитие квантово-полевой картины мира еще раз продемонстрировало нам важность и преемственность механической и электромагнитной картин мира, указав на то, что они верно отражали многие объективные свойства окружающего мира.

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 не завершено.

Перечислим научные направления последнего времени, разработка которых привела к появлению современной квантовой парадигмы мира:

— тео­рия относительности радикально изменила понимание пространственно-временных отношений (особенно, в экстремальных областях скоростей и размеров);

— квантовая механика способствовала установлению новых причинно-следственных связей в материальном мире;

— космология как развитие квантовой механики открыла путь в системную историю эволюции Космоса и особенно близкой нам темы – Солнечной системы, начавшейся около 15 млрд лет назад, раскрыла единство и це­лостность космоса, взаимосвязи фундаментальных физических взаимодействий;

— синергетика продемонстрировала, что процессы са­моорганизации могут происходить не только в мире живого, но и в неживой природе.

Основной принцип холизма утверждает, что целое всегда есть нечто большее, чем сумма его частей. С позиции холизма весь мир — это единое целое, а выделяемые в науках отдельные явления и объекты имеют смысл только как часть общности.

Холизм господствовал в истории философской мысли с древности. Пример холистического утверждения из трудов Гиппократа: “человек есть универсальная и единая часть от окружающего мира”, или же “микрокосм в макрокосме”. Представитель классического немецкого идеализма Г. В. Ф. Гегель (1770…1831) говорил: “только целое имеет смысл”.

Однако с развитием в XVIII—XIX веках науки и распространением в философии и естествознании близких между собой механистических и редукционистских идей возобладал взгляд на любую систему как на производное частей, окрепло убеждение, что свойства любого объекта могут быть выведены из анализа его составляющих элементов. Соответственно, холистический принцип стал восприниматься как не имеющая практической ценности философская концепция и пользоваться этой идеологией надо с осторожностью.

Интерес к идеям холизма снова возрос в первой половине двадцатого века в связи с кризисом классической естественно-научной картины мира. В это время и появился философское направление — “философия целостности ”, разработанное южноафриканским философом и политическим деятелем Я. Смэтсом(1870…1950). который ввёл в философский обиход термин “холизм ” опираясь на утверждение раннего философа —Аристотеля. “целое больше, чем сумма его частей”. Смэтс считал, что в основе эволюционных процессов лежит активность нематериальных и непознаваемых целостностей, усматривая в них источник высших моральных ценностей человечества.

Холистический принцип в современной философии – это верховенство целостностей перед суммой отдельных элементов и объяснение отдельных феноменов только в их связи с целостностями. Из холистических представлений исходит понятие синергии.

Синергизм – это сложное взаимодействие каких-либо компонентов, при котором суммарный эффект превышает действие каждого отдельного компонента. В физиологии синергия — совместное, сочетанное действие каких-либо органов или систем; в фармакологии – это совместное действие лекарственных веществ, взаимно усиливающее эффект действия каждого из них. Практическим воплощением идеи холизма в синергетике понятие эмерджентности, то есть возникновения в системе нового системного качества, не сводимого к сумме качеств элементов системы.

Понятие “система” родилось в философии как свойство упорядоченности и целостности бытия. Идея системности возникла в древнегреческой философии в трудах Платона, Аристотеля, философов-стоиков. Разрабатывалась в немецкой классической философии Кантом, Гегелем. В новом времени – системность познания – основной методологический научный принцип.

Зачем же нам необходимы знания о картинах мира? Все дело в том, что именно эти знания описывают свойства таких категорий, как материя, вещество, система и время. А эти базовые знания лежат в основе проектирования, создания и применения медицинских изделий.

Электромагнитная картина мира

Развитие представлений о строении вещества

5. Электромагнитная картина мира

Эта модель природы возникла в конце XIX в. Идеи, которые легли в ее основу, начали формироваться в физике задолго до ее утверждения. В то время еще господствовал механистический способ мышления. Но он уже не был в состоянии объяснить новые эмпирические факты, полученные в различных «не механических» областях исследования. Наверное, не случайно первооткрыватели закона сохранения энергии, позволившего объединить многие, разрозненные на первый взгляд факты из области физики, химии, биологии, космологии, являются не физиками, а специалистами других областей знания или человеческой деятельности: врач Роберт Майер, владелец пивоваренного завода Джеймс Джоуль, врач-физиолог Герман Гельмгольц. Закон сохранения энергии сыграл большую роль в открытиях, связанных с электрическими и магнитными явлениями. «Беря на себя задачу отыскать законы электричества, мы видим, что не обладаем никаким другим доступным вспомогательным средством исследования, кроме как единственно и исключительно принципом сохранения энергии»,- говорил Макс Планк.

Первые исследования по электричеству и магнетизму начались еще задолго до открытия закона сохранения и превращения энергии.

Так, в своих исследованиях Фарадей руководствовался идеей превратимости сил природы. «Превратить магнетизм в электричество» — это была его заветная мечта. Когда она овладела Фарадеем? После того, как он узнал об открытиях Эрстеда и Ампера, или гораздо раньше, когда мальчик в залатанной курточке пробирался среди экипажей лондонскими улицами, прижимая к груди пачку аккуратно переплетенных книг и думая о профессоре Деви, публичные лекции которого ему удалось прослушать? Когда большая мечта овладевает достойным, не отступающим перед трудностями человеком, тогда и совершаются открытия, причисляемые к открытиям века. Попробуйте представить себе: каждый день выполнять по нескольку опытов, каждый опыт скрупулезно описывать и анализировать. И это в течение десяти лет. Вот сколько времени и сил понадобилось, чтобы превратить магнетизм в электричество. Но ни один день не потрачен напрасно. Ни для человечества, ни для себя. С открытием Фарадея в жизнь вошли не только генераторы тока и электромоторы, с ним прежде всего в науку вошло представление об электромагнитном поле как о материальной среде, как о непрерывной материи, заполняющей пространство.

Почему открытие явления электромагнитной индукции привело к изменению взглядов на мир? Мысленно еще раз повторим опыт по электромагнитной индукции, который вы видели на уроках физики: магнит вдвигается в катушку, в катушке возникает ток. Изменение магнитного поля порождает электрическое поле, которое существует в пространстве, где находится катушка. А если катушку убрать? Электрическое поле не исчезает. Переменное магнитное поле порождает в пространстве изменяющееся электрическое поле и наоборот. Эти поля существуют в пространстве независимо от того, есть ли там электрические заряды и магниты или их нет. До Фарадея никто не говорил о том, что силовое поле — это не результат механических перемещений тел, не формальная схема, которая необходима для объяснения явлений, что оно само по себе является материальной субстанцией.

Дальнейшее развитие представлений о поле связано с Максвеллом. Благодаря его работам (начало XX в.) в науке утвердилась электромагнитная картина мира. Согласно этой картине весь мир заполнен электромагнитным эфиром, пустоты в нем нет. Электрическое, магнитное и электромагнитное поля трактовались как состояния эфира, который был их носителем. Поскольку эфир был средой для распространения света, то его называли еще «светоносным» эфиром. Как видим, понятие эфира снова появилось в науке, «возродились» представления о непрерывности материи, которые были в картине мира Аристотеля. Но, конечно, это уже совершенно другие представления.

Все законы природы сводились к законам электромагнетизма, которые математически выражались уравнениями Максвелла. Вещество представлялось состоящим из электрически заряженных частиц. Ставилась задача «построить модель атома, составленного из определенных сочетаний положительного и отрицательного электричества»,- как говорил об этом автор одной из самых «вкусных» моделей атома Дж. Томсон (вы, конечно, догадались, что речь идет об известной вам модели «пудинг с изюмом»). К тому времени, когда возникли представления об атомах, состоящих из электронов и протонов, электромагнитная картина мира приобрела почти завершенную форму, ей удалось объединить разрозненные факты путем обращения к единообразной сущности, каковой считалось электромагнитное поле. На основе электромагнитных взаимодействий объясняются не только электрические и магнитные явления, но и оптические, и тепловые и химические.

В 1900 г. В. Вин поставил вопрос об электромагнитном обосновании механики. В науку прочно входит представление о непрерывности материи. Окончательно оно победило, когда А. Майкельсон своими опытами доказал, что светоносного эфира нет, свет — электромагнитное поле — сам является видом материи, для его распространения нет необходимости в какой-либо особой среде — эфире.

Представления об электромагнитном поле были настолько популярными, что А. Эйнштейн, будучи еще шестнадцатилетним юношей, подолгу размышлял о его свойствах, в частности о том, каким представлялось бы электромагнитное поле для наблюдателя, который «летит» вдогонку за ним со скоростью света, т. е. 300 000 км/с. Впоследствии он рассказывал, что никак не мог себе представить, каким бы было электромагнитное поле для такого наблюдателя, и, наверное, из этой невозможности родилась позже уверенность, что «луч света нельзя догнать»: с какой бы скоростью мы ни гнались за ним, он уходит от нас со скоростью 300 000 км/с- скорость света во всех инерциальных системах отсчета одинакова. Это положение является одним из постулатов специальной теории относительности.

С утверждением в науке теории относительности изменились представления о пространстве и времени, о массе движущихся тел, об их взаимодействии. В механике Ньютона и механической картине мира пространство и время считались «абсолютными», не связанными с материальными объектами и не зависимыми друг от друга. Материальные объекты существовали в пустоте, взаимодействия между ними передавались мгновенно. Действительно, ни в формулу закона всемирного тяготения, ни в формулу закона Кулона время не входит.

Эйнштейн показал органическую взаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных и временных соотношений в материальном мире. По Эйнштейну, распределение материи во Вселенной изменится, если перейти от одного периода времени к другому, от одной области пространства к другой. Пространство и время определяются распределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениям о бесконечной неизменной Вселенной Ньютона приходят другие представления о Вселенной.

Аналогия поможет нам понять теорию Эйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространство искривляется. В искривленном пространстве наименьшим расстоянием между двумя точками является некоторая кривая (ее называют геодезической). В таком пространстве свободное движение тела происходит по геодезической кривой. Если представить, что криволинейное движение тел под действием силы тяготения — это свободное движение в искривленном пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себя искривляет пространство и это искривление передается подобно волне, от точки к точке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения. Но движение под действием этих сил не только криволинейное, ускорение может меняться и по модулю. Чтобы объяснить тяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно из измерений пространства. В теории относительности фигурирует четырехмерное пространство (четвертой координатой является время), искривление которого позволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением. Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометрия такого пространства может быть приближенно евклидовой (именно в таком пространстве находилась Вселенная Ньютона), или приближенно геометрией Лобачевского, или приближенно геометрией Римана.

Представления об искривленном пространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от модели Ньютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен. Чтобы понять это, вернемся к аналогии с листом. Если этот лист может прогибаться одинаково в каждой точке, то это может привести тому, что он свернется в шар. поверхность его замкнута, она не имеет границ, но конечна по размерам.

В 1922 г. советский ученый А. А. Фридман показал, что теория тяготения Эйнштейна позволяет построить еще две равноправные модели Вселенной. Одна из них — закрытая модель, подобная поверхности шара, другая модель открытая. Согласно теории Фридмана, расстояния между телами во Вселенной, согласующейся с той и другой моделью, должны меняться со временем. Пространство должно либо расширяться, либо сжиматься. Например, если шар надувать, то каждому из сидящих на шаре «жуков» будет казаться, что остальные «жуки» убегают от него. а наглядная аналогия может помочь понять «разбегание» галактик, которое астрофизики обнаружили по красному смещению спектральных линий.

Как видим, электромагнитная картина мира отличается от механической картины. Но все же между ними много общего. Так, если в механической картине мира окончательными элементами, моделирующими физическую реальность, были неизменные, не имеющие структуры частицы — их можно назвать материальными точками), движение которых предопределялось начальными условиями и законами механики, то в электромагнитной картине мира роль таких частиц выполняют точечные электрические заряды и электромагнитные характеристики каждой точки эфира, но «поведение» тех и других также предопределено начальными условиями и строгими физическими законами, т. е. в электромагнитной картине мира физические процессы также считаются однозначно детерминированными. Единственное, что противопоставляет эти картины мира,- это представление о материи: в механической картине мира она дискретна, в электромагнитной — непрерывна. Частицы, играющие роль кирпичиков мироздания, взаимодействуют посредством окружающего их электромагнитного поля, имеющего непрерывный характер. Атомы химических элементов уже не неделимые частицы, они обладают внутренней структурой, но они сохраняют свое название атомов и электрически нейтральны. Казалось бы, модель атома Резерфорда прекрасно гармонирует с представлениями электромагнитной картины мира: электроны и ядро держатся в атоме посредством образующегося между ними электрического поля. Справедлив и сейчас вывод из модели Резерфорда о том, что нельзя говорить, например, что атом водорода состоит из протона и электрона. Можно сказать, что он возникает из них. Действительно, если электрон и протон находятся рядом, то у результирующего электрического поля запас энергии меньше, чем в том случае, когда заряды удалены друг от друга. Так что протон и электрон в атоме отличны от протона и электрона, которые существовали отдельно. Природа использует необычный, с нашей точки зрения, «клей», чтобы соединить частицы в атоме — она «отбирает» от частиц энергию и эквивалентную ей массу. Но оказалось, что именно модель атома Резерфорда нанесла один из сокрушительных ударов по электромагнитной картине мира.

1. Ленин В. И. Полн. собр. соч. т. 18.

2. Карпинская Р. С. Биология и мировоззрение.- М. Мысль, 1980.

3. Платонов Г. В. Картина мира, мировоззрение и идеология.- М. Знание, 1972.

4. Маркс К. Э н г е л ь с Ф. Соч. т. 20.

5. Асмус Г. Ф. Античная философия.- М. Высшая школа, 1976.

6. Лаэртский Д. О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов.- М. ысль, 1979.

7. Чанышев А. Н. Курс лекций по древней философии.- М. Высшая школа, 981.

8. Соловьев Ю. И. Куринныи В. И. Якоб Берцелиус.- М. Наука, 1990.

9. Гангнус А. Рискованное приключение разума.- М. Знание, 1992.

10. Кузнецов Б. Г. От Галилея до Эйнштейна.- М. Наука, 1992.

Страница 40 из 42

Электромагнитная картина мира

Основы новых представлений о материи были заложены в работах X. Эрстеда и А. Ампера в конце XVIII – начале XIX века. Затем, в процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений, М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Открыв явление электромагнитной индукции, он сделал вывод, что огромную роль в передаче электрических и магнитных сил играет среда. Одним из первых идеи Фарадея оценил Д. Максвелл, создавший электромагнитную теорию в середине XIX века. Тем самым было завершено создание электродинамики, еще одной фундаментальной физической теории.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля – сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Электромагнитная картина мира

Дж. Максвелл (1831–1879)

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы – движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.

Таким образом, были выдвинуты новые как физические, так и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменившие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия. Он утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Ньютоновская концепция абсолютного пространства и абсолютного времени не подходила к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля – это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время должны перестать быть самостоятельными, независимыми oт материи сущностями. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Лишь к началу XX века эти взгляды уступили место относительной концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды лишь упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество, магнетизм, свет объяснялись на основе одних и тех же законов.

Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности, что наглядно показало переходный характер новой картины мира. Так, согласно электромагнитной картине мира заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории X. Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира стала рассматриваться в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой.

Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона–Морли, в которых пытались обнаружить «эфирный ветер». Свет в то время считали электромагнитными волнами, которые распространялись в особой среде – эфире. Наблюдатель на Земле перемещается относительно эфира вследствие движения Земли, а потому воспринимаемая скорость света должна зависеть от скорости движения планеты. Это и было явление «эфирного ветра», поиск которого продолжался в целом ряде опытов вышеназванных ученых. Несмотря на все повышавшуюся точность измерений (первый опыт был проведен в 1881 г. а последний – в 1963 г.), данного явления обнаружить не удалось. Это заставило усомниться в существовании эфира.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили X. Лоренц и А. Пуанкаре, чьи работы завершают до-эйнштейновский период развития физики. Речь идет об электронной теории Лоренца, а также о его знаменитых уравнениях, переведенных на язык четырехмерного пространства-времени Пуанкаре, которыми позже воспользовался А. Эйнштейн в своей теории относительности.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Тем самым было устранено противоречие между пониманием континуальных (полевых) представлений о материи и ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени.

Таким образом, к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теорий и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи.

Тем не менее, об этих мелких неприятностях физики предпочитали не думать. Они считали, что как никогда близки к решению основной задачи науки – получению абсолютной истины, раскрытию всех тайн окружающего мира. Это позволило такому известному физику, как
Г. Кирхгоф, в 80-х годах XIX в. заявить, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

Но даже создание теории относительности не могло спасти электромагнитной картины мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной картиной и фактами, что и послужило основанием для второй глобальной научной революции, которая разрушила не только существующую картину мира, но и все здание классической науки. В ходе этой революции начала складываться современная наука и новая квантово-релятивистская картина мира.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *