39
Глава 3 ТЕОРИИ О СТРОЕНИИ МАТЕРИИ
Развитие теории о строении материи (механистическая, электромагнитная, электронная (атомно-молекулярная), физическая (квантово-полевая). Структурная организация микромира. Частицы и античастицы. Законы сохранения и взаимопревращения различных видов энергии друг в друга. Современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах. Основные законы и принципы квантовой физики. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Корпускулярная и континуальная концепции описания строения материи. Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы. Химические процессы. Реакционная способность веществ.
В развитии естественнонаучной картины мира важное значение приобретают концепции и теории естествознания, возникшие на различных этапах ее развития. Левкипп и Демокрит в V – IV веке до н.э. разработали атомическую теорию строения материи, согласно которой весь мир состоит их реальных и неделимых частиц (атомов),
аГераклит заложил основы диалектики (эволюционного развития материи).
СVI до н.в. по XIV век н. в. господствовала натурфилософская картина мира. Характеризуя натурфилософию, Ф. Энгельс писал, что она «…заменяла неизвестные связи между явлениями идеальными, фантастическими вымыслами, при этом ею были высказаны многочисленные мысли и предугаданы многие позднейшие открытия, но немало было наговорено нелепостей и вздора». Наиболее ярко натурфилософия была представлена в трудах античных ученых Фалеса, Эмпедокла, Аристотеля, Птоломея. Их учения в основном строились на догадках и произвольных логических построениях. Развитие научного познания (XIV – XVII веках н.в.) сделало натурфилософию излишней. В настоящее время натурфилософия сохранилась как составная часть некоторых реакционных идеалистических систем. Идеализм завел натурфилософию в тупик агностицизма и полностью подчинил ее религии.
Физические взаимодействия на уровне элементарных частиц и атомных ядер
Химические движения атомов и молекул
Физические атомно – молекулярные процессы
Геологические процессы
Жизнь.
Биологическая форма движения белково–нуклеиновых систем
Рис. 1 Общий вид перехода физических процессов в мире элементарных частиц
40
В XVII – XIX веках вместо натурфилософской картины мира утвердилась механистическая. Все явления в мире трактовались законами механики ГалилеяНьютона. Законы механики были в основе установления других закономерностей в природных процессах. Согласно механистической теории господствующее положение в науке занял односторонний анализ, разделивший мир на группы обособленных и неизменных явлений. В XIX веке в рамках механистической картины мира сложилась термодинамическая картина мира, основанная на молекулярно-кинетической концепции и вероятностно-статистических законах. Окончательное крушение механистической картины мира вызвала теория электромагнитного поля, созданная М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом во 2-й половине XIX века. До Максвелла физическая реальность мыслилась в виде материальных точек, после него физическая реальность предстала в виде непрерывных электромагнитных полей, не поддающихся механистическому объяснению.
Наступила эра принципиально новой физической картины мира, которая в XX веке трансформировалась в релятивистскую или квантово-полевую. Одновременно научная картина мира развивалась по отдельным отраслям естественных наук: астрономии, географии, геологии и биологии. Общий вид перехода физических процессов в мире элементарных частиц представлен на рисунке 1. Каждое направление при этом использовало информационную базу данных, накопленных предшественниками, и системный анализ обработки информации. В результате формировались теории, раскрывающие картину мира в разных аспектах.
3.1. Механистическая теория
Теоретической основой построения механистической картины мира является установление законов механического движения в XV – XVII веках.
К этому времени (в 1532г.) Николаем Коперником была разработана гелиоцентрическая теория движения планет солнечной системы. Галилео Галилей (1565 – 1642) установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности.
Иоганн Кеплер (1571 – 1630), используя результаты многолетних наблюдений датского ученого Тихо Браге за движением планеты Марс вокруг Солнца, установил, что его траектория, как и траектория других планет, является не окружностью, а эллипсом.
Открытие законов движения планет Кеплером имело неоценимое значение для развития естествознания. Оно свидетельствовало о том, что между движением земных и небесных тел не существует непреодолимой пропасти, поскольку они подчиняются определенным естественным законам. Во-вторых, сам путь открытия законов движения небесных тел в принципе не отличается от открытия законов земных тел. Поэтому картину мира в 16-17 столетиях ученые рассматривали на основе законов классической механики. Эти исследования производись в двух направлениях:
1.Обобщение накопленной информации относительности законов движения планет (теории Н. Коперника, законов движения свободно падающих тел Г. Галилея и законов движения планет И. Кеплера).
2.Создание методов количественного анализа механического движения тел (законы механического движения и всемирного тяготения И.Ньютона).
И. Ньютон был сторонником идеалистического направления в естествознании. Он писал: «Мне представляется вероятностным, что бог вначале создал материю в виде
41
твердых крупных, прочных непроницаемых и в то же время подвижных частиц. Перед нами стоит задача установить закономерности их движения». И. Ньютон (1642 - 1727) создал вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения и ускорения, как производного от скорости по времени. А также второй производной от пути по времени. Зная координаты и скорость движения тела в некоторый момент времени, по уравнению движения тела можно точно определить его состояние в любой момент времени. Благодаря этому ему удалось сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения.
В настоящее время количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVIII веке это было крупнейшим завоеванием научной мысли.
Основные положения теории «механистической картины мира»:
1.Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.
Зная координаты и скорость движения тела в некоторый момент времени, по уравнению мы можем точно определить его состояние в любой другой момент времени
вбудущем или прошедшем.
2.Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможностей точного и однозначного определения состояния механической системы его предыдущего состояния.
3.Пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер.
4.Сближение закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейших форм движения материи, т.е. механическому движению.
5.Действие и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.
В XVI – XVII веках господствующее положение в познании механистической картины мира занимала метафизика, разделившая мир на группу обособленных и неизменных по себе тел и явлений. В XVIII веке эта теория встретила критику со стороны материалистов – астрофизиков, геологов, биологов, медиков и некоторых химиков. Все перечисленные особенности теории предопределяли ограниченность механистической картины мира, которые преодолевались в ходе последующего развития естествознания.
В конце 19 и начале 20 столетия рождение и развитие атомной физики окончательно разрушило механистическую картину мира.
3.2. Электромагнитная теория
Электрические магнитные явления были известны еще в XVII веке, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимная связь. Это заставило ученых искать эту связь и создать единую «электромагнитную теорию».
Датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777 – 1851), поместив над проводником, по которому шел электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она
42
отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле.
Позднее английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток.
На основе опытов Фарадея и других ученых английский физик Д.К. Максвелл (1831 - 1879) создал электромагнитную теорию. Он обосновал существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Это дало возможность ему раскрыть связь электрических и оптических свойств веществ. Основная идея об электромагнитной природе света была им высказана в 1865 г.
Предсказанное Дж. Максвеллом существование электромагнитных волн было
подтверждено немецким физиком Г. Герцем |
в 1888 г. В |
1895 |
г. русский |
физик |
П.Н. Лебедев измерил давление света, а |
изобретатель |
радио |
русский |
ученый |
А.С. Попов в 1895 г. впервые применил электромагнитные волны для передачи сигналов без проводов. Теория Максвелла не сразу была понята физиками. Большую роль в укреплении и развитии ее сыграли русские физики А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев, А.С. Попов и др.
Таким образом, основное положение электромагнитной теории сводилось к тому, что материальные тела связаны между собой физическими полями.
Одно из них было известно и во времена Ньютона. И теперь называется гравитационными полем, а раньше рассматривалось как сила притяжения, возникающая между материальными телами. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля (электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил, квантовое поле), картина мира приобрела более сложный характер.
3.3. Электронная (атомно-молекулярная) теория
Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества. Вещество не заполняет целиком занимаемое им пространство, оно состоит из отдельных находящихся на очень малом расстоянии друг от друга частиц, называемых молекулами. Каждая молекула, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц – атомов. Число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов.
Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединяться, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные – молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молекулы при любой химической реакции – изменяются.
С открытием радиоактивности в самом конце XIX века представление о неделимости атома изменилось. Было доказано, что атомы веществ имеют сложное строение и что все химические изменения вызываются преимущественно действием электрических сил. Атомы всех элементов являются системами, образующимися из так называемых элементарных частиц – протонов, электронов, нейтронов. Атомы одного и того же элемента имеют ядро, содержащее одинаковое число протонов. Атомы разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.