ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.04.2024
Просмотров: 456
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
Определение философии. Философия и мировоззрение
Полисемия концепта «наука» и многообразие его определений.
по дисциплине «История и философия науки»
Определение ключевых эпистемологических категорий
Типология знания. Эпистемологическая специфика науки
Онтология бытия и онтология реальности
Что такое сознания и как оно существует?
ГОУ ВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ОНТОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЛОСОФИИ И НАУКИ
Альтернативы реальности: множественные и возможные миры
ГОУ ВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Доклассическая наука: античность
Доклассическая наука: Средневековье
Рождение классической науки (вторая половина XVI –XVII вв.)
Эволюция классической науки (XVIII – конец XIX вв.)
Рост научного знания и концепт «научная революция»
Причины и типология научных революций
Изменение научной картины мира в результате научных революций
– уникальные наборы спектральных линий?»
Результаты анализа распределения энергии излучения АЧТ и открытие коротковолнового излучения актуализировали проблему, получившую имя «ультрафиолетовая катастрофа». Ее суть в том, что, согласно закону Рэлея-Джинса (1900), безупречного с точки зрения физики Ньютона, Максвелла, Больцмана, и прекрасно описывающего излучение АЧТ при больших длинах волн, в ультрафиолетовой области спектра плотность излученной энергии становится бесконечно большой. Следовательно, никакое тепловое равновесие невозможно и, если верны все положения классической физики, жизни на Земле никогда не было бы. Даже при открывании дверцы духовки плиты мы рисковали погибнуть под потоком ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Природа милостива, к счастью, этого не происходит. «Катастрофа» была только в умах ученых, на что и указал в 1900 г. М. Планк, предположив: энергия излучается и поглощается дозировано, порциями.
Крупный специалист в исследованиях прохождения электричества через газы Дж. Томсон в 1897 г., изучая катодные лучи, экспериментально установил, что они движутся со скоростью, явно меньшей, чем скорость света. Следовательно, являются «корпускулами». Так была обнаружена отрицательно заряженная элементарная частица, получившая вскоре имя «электрон» (греч. – янтарь). Стало ясно, что классическая теория не может объяснить, почему отношение заряда электрона к массе зависит от скорости его движения. Был дан новый толчок дискуссиям об онтологическом статусе атомов и их структуре. Параллельно образовалась проблема, а именно, каким образом сосуществуют частицы, описываемые конечным числом параметров, и поля2, у которых число параметров бесконечно.
В конце 80-х гг. XIX в. Г. Герцем был открыт внешний фотоэффект, А. Г. Столетов вывел его первый закон и был близок к формулировке положения о наличии красной границы фотоэффекта. Говоря простым языком, фотоэффект – это взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, при котором веществу передается энергия (фотон – квант электромагнитного излучения был постулирован позже). Красная граница фотоэффекта – максимальная (для определенного материала катода) длина волны, выше которой фотоэффект не наблюдается при любой интенсивности облучения. Этот феномен не находил объяснения в классической волновой теории и с 1905 г. стал предметом внимания А. Эйнштейна. Он объяснил фотоэффект
, связав кванты с распространением электромагнитных волн.
В 1913 г. М. Планк указал на наличие как минимум трех положений, которые ранее принимались без всякой критики, но затем под напором новых фактов были пересмотрены. Это: неизменность химических атомов, взаимная независимость времени и пространства, непрерывность всех динамических явлений. Первое положение было опровергнуто в результате открытия радиоактивности. Принцип сохранения энергия гласит, что теплота не возникает из ничего. Но соль радия, например, выделяет теплоту без всякого внешнего воздействия. Следовательно, имеют место изменения самого атома радия, а значит, атом не представляет собой неизменную составную часть материи. Второе положение дискредитировано принципом постоянства скорости света. Этот принцип теории относительности делает невозможным такое определение времени, которое не зависит от состояния движения наблюдателя. Третье положение, о том, что природа не делает скачков, опровергнуто самим Планком: при излучении света или тепла происходят процессы, которые сосредотачивают энергию излучения в определенных конечных количествах (квантах), и тем плотнее, чем чаще происходят колебания. В природе встречаются такие изменения, которые происходят не непрерывно, но имеют характер взрывов1.
Вернемся назад. 14 декабря 1900 г. Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества. Он представил вывод формулы для излучения АЧТ и впервые использовал понятие «квант», на которое мало кто обратил внимание. Да, и сам Планк не подозревал, что его доклад положит начало неклассической физике, откроет новый этап в развитии науки. Квантом (лат. quantum – сколько) была названа неделимая порция энергии. Планк предположил, что энергия электромагнитного излучения, испускаемого (поглощаемого) телом складывается из разного числа таких порций. Величина квантов энергии связана с частотой: Е = hv. Квант также характеризуют как наименьшее возможное изменение дискретной физической переменной. Разделение на кванты в атомном мире происходит потому, что постоянная Планка (h) – одна из фундаментальных физических констант – отлична от нуля, хотя и очень мала: 6,626 × 10–34 Дж, умноженных на секунду.
Это было революционное открытие, выходящее за рамки традиционной физики, в которой процессы происходят непрерывно, но не дискретно. Оказалось, что часть физических величин способны принимать только определенные значения (квантоваться). Позже А. Эйнштейн предположил, что при нагревании тела атомы колеблются, но не произвольно; частоты колебаний кратны определенной фундаментальной частоте. Впоследствии было установлено, что
все фундаментальные взаимодействия, имеющие место в природе, представляют собой обмен квантами.
После того, как Планк вывел на арену квант, открытия в области новой физики, погрузившейся в удивительный мир атома, посыпались как из рога изобилия. Начался, пожалуй, самый насыщенный и революционный период в истории мировой науки. В 1903 г. Дж. Томсон предложил первую модель атома. Он считал атом безмассовым положительно заряженным шаром, в котором распределены отрицательно заряженные электроны («пудинг с изюмом»). Через год японец Х. Нагаока предложил более реалистическую модель атома «типа Сатурна»: вокруг огромного и тяжелого центра по круговым орбитам вращаются электроны.
В 1905 г., наряду с работами, посвященными специальной теории относительности (о ней ниже), А. Эйнштейн публикует в Annalen der Physik статью, объясняющую броуновское движение. Р. Милликен точно измеряет заряд электронов и доказывает, что все они имеют одинаковую массу. В 1909 г. он заявляет: важнейшей задачей теоретической физики является построение теории света как синтеза волновой теории и теории испускания света. В 1911 г. Ч. Вильсон изобретает конденсационную камеру, названную его именем – прибор для регистрации треков заряженных частиц. В том же году Э. Резерфорд объявляет об открытии атомного ядра. Он строит сферическую «планетарную» модель атома: отрицательно заряженные электроны, находящиеся в «пустоте» и крошечное, но чрезвычайно массивное положительно заряженное ядро. Но здесь возникала проблема. Неподвижные электроны будут нестабильны, они неудержимо притягиваются к ядру. Если же они будут вращаться, атом просто напросто разрушится, т. к. согласно теории Максвелла заряженная частица, двигающаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. Резерфорд в 1919 г. открыл протон – положительно заряженную частицу. Одним из его учеников был советский физик П. Л. Капица. Он ввел в оборот термин «сверхтекучесть», в 1938 г. доказав, что при сверхнизких температурах гелий II течет без трения.
Забегая вперед, отметим, что впоследствии протон, вместе с нейтроном, образуют группу нуклонов, составляющих ядро атома. Нуклоны относятся к семейству барионов (состоят из кварков; открыты в 1964 г.). Барионной называют материю, состоящую из нуклонов и электронов. Позже оказалось, что существует и антивещество, состоящее из античастиц.
Через несколько месяцев после открытия атомного ядра, в Брюсселе, по инициативе бельгийского ученого и бизнесмена Э. Сольве проводится международный форум физиков и химиков. Впоследствии конгрессы, на которые приглашались только компетентные специалисты в области актуальных проблем, стали проводится регулярно, утвердившись в качестве важнейших мировых естественнонаучных «точек сборки». I Сольвеевский конгресс носил название «Излучение и кванты». Председательствовал на нем Х. Лоренц. В центре внимания – открытия Планка и Резерфорда. Была озвучена революционная идея о том, что законы механики не применимы к «первокирпичикам» вещества – атомам и молекулам. Последний, XXVI Солвеевский конгресс «Астрофизика и космология», состоялся в 2014 г.
В начале 1913 г. ассистент профессора физики в Копенгагенском университете Нильс Бор узнает о серии Бальмера и, пытаясь разгадать тайну линий излучения в спектре водорода, строит оригинальную «планетарную» модель водородоподобных атомов, синтезировав классическую и квантовую физику (в этом ее логическая противоречивость). Бор предположил, что 1) электроны располагаются только на определенных орбитах в стационарных состояниях; 2) находясь на орбитах, они не могут излучать энергию; 3) атом способен находится только в нескольких дискретных энергетических состояниях (самое низкое является основным); 4) электроны «перепрыгивают» из стационарных состояний с более высокой энергией в состояния с меньшей энергией, а разница состояний излучается в виде кванта энергии1. Атом способен поглощать квант света и тогда электрон перескакивает с низкого уровня на высокий. Возможен и другой переход, названный «вынужденной эмиссией»: атом под воздействием светового кванта «вынуждают» перейти на более низкий уровень. Через 40 лет этот феномен нашел применение (создание лазера).
Бору принадлежит идея квантовых чисел. Они задают квантованные физические величины. В отношении электрона каждое квантовое число соответствует одной из его степеней свободы, способности двигаться вправо или влево, вверх или вниз и т. д. (разумеется, такое объяснение есть упрощение). Опираясь на работы Дж. Николсона, Бор подошел к фиксации «главного» целого числа для водородоподобных атомов, определяющего их возможные значения энергии. Вскоре Дж. Франк и Густав Герц, не знакомые с теоретическими выкладками Бора, экспериментально подтвердили наличие и энергетических уровней, и квантовых скачков (1914).
Бор подтвердил правоту сторонников кванта, объяснил дискретность излучения атома, имеющего сложное строение. Он сделал первый шаг к созданию общей теории, получившей имя «квантовая механика» (термин введен в 1924 г. М. Борном). Бор «спас» атом от угрозы разрушения, приоткрыл завесу тайны спектральных линий, но не решил проблему их интенсивности. Сущность процессов, происходящих в атоме и их тонкая структура, не были вскрыты, законы движения электрона – не сформулированы. Объектом исследования были водородоподобные атомы, при расчете спектральных линий других атомов теория не совпадала с результатами экспериментов. Работы Бора дали импульс развитию химии. Г. Мозли экспериментально установил связь между частотой спектральных линий рентгеновского излучения и атомным номером излучающего элемента. Это стало подтверждением адекватности планетарной модели атома, продемонстрировало потенциал квантовой физики в деле осмысления периодической системы химических элементов.
В 1916 г. А. Зоммерфельд разработал теорию, которая объяснила тонкую структуру (явление, описывающее расщепление спектральных линий атома), ввел орбитальное и магнитное квантовые числа, заменил круговые орбиты Бора эллиптическими орбитами. Зоммерфельд попытался дать релятивистское обобщение теории Бора.
Синонимом к понятию «релятивистская теория» является «теория относительности». Наряду с квантовой теорией, она – вторая важнейшая составляющая неклассической науки. Теория относительности – система идей, объединившая механику, оптику, электродинамику и теорию гравитации – принесла с собой новое понимание времени и пространства.
Теория относительности Альберта Эйнштейна подразделяется на специальную (СТО) и общую (ОТО). Дата рождения первой – 1905 г., второй – 1915–1916 гг. СТО – следствие несовместимости механики Ньютона и электродинамики Максвелла, ее возникновение связывают с попытками обнаружить движение Земли относительно эфира. Х. Лоренц и А. Пуанкаре в 1904–1905 гг. доказали тщетность этих попыток, если мы разделяем представления о фиксированности (выделенности) системы координат, в которой эфир покоится. Основные положения СТО изложены в статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», опубликованной в Annalen der Physik в сентябре 1905 г. Математический аппарат СТО разработан Г. Минковским (1908–1910), который интерпретировал СТО как геометрию четырехмерного пространства-времени.