философия. Вопросы для экзамена по Части Специфика предметной области философии математики
 Скачать 65.06 Kb.
|
|
количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVIII в. это было крупнейшим завоеванием научной мысли. Для сравнения достаточно отметить, что китайская наука, несмотря на ее несомненные достижения в эмпирических областях (изобретение пороха, бумаги, компаса и другие открытия), так и не смогла подняться до установления количественных закономерностей движения. Решающую же роль в становлении механики сыграл, как уже отмечалось, экспериментальный метод, который обеспечил возможность проверять все догадки, предположения и гипотезы с помощью тщательно продуманных опытов. Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Поэтому он резко выступал против допущения так называемых скрытых качеств, с помощью которых последователи Аристотеля пытались объяснить многие явления и процессы природы. Сказать, что каждый род вещей наделен особым скрытым качеством, при помощи которого он действует и производит эффекты, - указывал Ньютон, - значит ничего не сказать. В связи с этим он выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, согласно которому вывести два или три общих, начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, - было бы очень важным шагом в философии, хотя причины этих начал и не были еще открыты. Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон точно формулирует в своем главном труде "Математические начала натуральной философии", опубликованном в 1687 г. Первый закон, который часто называют законом инерции, утверждает :
Этот закон, как отмечалось выше, был открыт еще Галилеем, который отказался от прежних наивных представлений, что движение существует лишь тогда, когда на тело действуют силы. Путем мысленных экспериментов он сумел показать, что по мере уменьшения воздействия внешних сил тело будет продолжать свое движение, так что при отсутствии всех внешних сил оно должно оставаться либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Конечно, в реальных движениях никогда нельзя полностью освободиться от воздействия сил трения, сопротивления воздуха и других внешних сил, и поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительно сложной картины движения и воображают себе картину идеальную, которую можно получить путем предельного перехода, т.е. посредством непрерывного уменьшения действия на тело внешних сил и перехода к такому состоянию, когда это воздействие станет равным нулю. Второй основной закон занимает в механике центральное место:
Электромагнитная физическая картина мира: онтология, эпистемология, методология. Уже в прошлом веке физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны им давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию. Действительно, датский ученый Эрстед (1777-1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она 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 Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) создал свою электромагнитную теорию. Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля. Одно из них было известно и во времена Ньютона и теперь называется гравитационным полем, а раньше рассматривалось просто как сила притяжения, возникающая между материальными телами. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее это была картина классической физики, которая изучала знакомый нам макромир. Положение коренным образом изменилось, когда ученые перешли к исследованию процессов в микромире. Здесь их ожидали новые необычайные открытия и явления. Квантово-релятивистская физическая картина мира: онтология, эпистемология, методология. Формированию квантово-полевой картины мира предшествовало становление релятивистской картины мира, основанной на общей и специальной теории относительности. Появление релятивистской картины мира тесно связано с отрицательным опытом Майкельсона-Морли по обнаружению эфира. Вплоть до конца XIX в. эфир трактовался как непрерывная механическая среда, заполняющая все пространство. Возмущения этой среды рассматривались как электромагнитное поле. С эфиром ассоциировалось понятие выделенной системы отсчета, тесно связанной с ньютоновским понятием абсолютного пространства. Опыт Майкельсона-Морли не подтвердил концепцию эфира, что привело к появлению и утверждению теории относительности, в рамках которой формируются представления о пространстве и времени как о едином четырехмерном пространственно-временном континууме. В специальной теории относительности конкретные свойства пространства и времени (наблюдаемые расстояния и промежутки времени) зависят от выбора инерциальной системы отсчета, а в общей теории относительности - и от распределения масс вещества. Подробно с теорией относительности А. Эйнштейна вы можете ознакомиться в соответствующих разделах литературы, указанной в конце данного раздела, а также в книге П.С. Кудрявцева «Курс истории физики»[8]. Основные результаты специальной теории относительности следующие: - всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат; - пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат; - специальная теория относительности показала, что ковариантность, или одинаковость формы, законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца; - при обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике[9]. Общая теория относительности отказывается от такого ограничения, так же как и от требования рассматривать лишь инерциальные системы отсчета, как это делает специальная теория. Благодаря такому глубокому обобщению она приходит к выводу - все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы. С философской точки зрения наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Квантовая механика сформировалась при изучении свойств объектов микромира - атомов и составляющих его частиц. Попытки ученых описать и объяснить свойства микрочастиц материи с помощью понятий и принципов классической физики оказались несостоятельны. Поиски новых понятий и методов привели к возникновению новой механики, которая изначально получила название волновой, в противоположность обычной механике, рассматривающей физические объекты как состоящие из корпускул. Позже с введением М. Планком понятия кванта и сознанием Н. Бором квантовой модели атома за механикой микрообъектов утвердилось название квантовой. Ее становление обусловлено целым рядом научных открытий, произошедших на рубеже XIX-ХХ вв., и заложивших основы исследования микромира. Ссылаясь на учебное пособие В.П. Кохановского[10], приведем краткую хронологию становления основных идей новой картины мира. В 1896 г. французский физик А. Беккерель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли, природа которого не была понята. В поисках элементов, испускающих подобные «беккерелевы лучи», Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) в 1898 г. открывают полоний и радий, а само явление называют радиоактивностью. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон (1856-1940) открывает составную часть атома - электрон, создает первую, но очень недолго просуществовавшую модель атома. В 1900 г. немецкий физик М. Планк (1858-1947) предложил новый (совершенно не отвечающий классическим представлениям) подход: рассматривать энергию электромагнитного излучения величину дискретную, которая может передаваться только отдельными, хотя и очень небольшими порциями - квантами. На основе этой гениальной догадки ученый не только получил уравнение теплового излучения, но она легла в основу квантовой теории. Английский физик Э. Резерфорд (1871-1937) экспериментально устанавливает, что атомы имеют ядро, в котором сосредоточена вся их масса, а в1911 г. создает планетарную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг неподвижного ядра и в соответствии с законамиклассической электродинамики непрерывно излучают электромагнитную энергию. Но ему не удается объяснить, почему электроны, двигаясь вокруг ядра по кольцевым орбитам и непрерывно испытывая ускорение, следовательно, излучая все время кинетическую энергию, не приближаются к ядру и не падают на его поверхность. Датский физик Нильс Бор (1885-1962), исходя из модели Резерфорда и модифицируя ее, ввел постулаты (постулаты Бора), утверждающие, что в атомах имеются стационарные орбиты, при движении по которым электроны не излучают энергии. Излучение энергии происходит только в тех случаях, когда электроны переходят с одной стационарной орбиты на другую. Постулаты Бора легли в основу квантовой модели атома. Она получила название модели Резерфорда-Бора. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о двойственной, корпускулярно-волновой природе не только электромагнитного излучения, но и других микрочастиц. В 1925 г. швейцарский физик-теоретик В. Паули (1900-1958) сформулировал принцип запрета: ни в атоме, ни в молекуле не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии. В 1926 г. австрийский физик-теоретик Э. Шредингер (1887-1961) вывел основное уравнение волновой механики, а в 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976) - принцип неопределенности, утверждавший, что значения координат и импульсов микрочастиц не могут быть названы одновременно и с высокой степенью точности. В 1929 г. английский физик П. Дирак (1902-1984) заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации, разработал релятивистскую теорию движения электрона, на основе которой предсказал (1931) существование позитрона - первой античастицы. Античастицами назвали частицы, подобные своему двойнику, но отличающиеся от него электрическим зарядом, магнитным моментом и др. В 1932 г. американский физик К. Андерсон (р. 1905) открыл позитрон в космических лучах. В 1934 г. французские физики Ирен (1897-1956) и Фридерик Жолио-Кюри (1900-1958) открыли искусственную радиоактивность, а в 1932 г. английский физик Дж. Чедвик (1891-1974) - нейтрон. Квантовая механика одна из самых интересных областей физического знания. Подробнее ознакомиться со спецификой построения квантово-механической картины мира и основными ее положениями вы можете в приведенной в конце раздела литературе. Наиболее доступно и наглядно материал по данной картине мира изложен в учебниках Г. И. Рузавина и В.А. Канке. В современной физике квантовые и релятивистские представления синтезированы в единую картину мира, что позволяет говорить о квантово-релятивистской картине мира. В ней, точнее в квантовой теории поля, где объединены квантовые и релятивистские представления, фундаментальными абстракциями являются понятия частиц и полей, переносчиков взаимодействий. В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и импульса. В квантовой механике в отличие от классической физики поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам. В рамках новой физической картины кардинально меняется и представление о движении, которое становится частным случаем фундаментальных физических взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Согласно теории относительности пространство и время образуют единый четырехмерный пространственно-временной континуум, не существующий вне материальных тел. Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме в виде статистических законов, которые способствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Квантово-релятивистская картина мира ставит перед учеными целый ряд проблем философского характера. Одной из важнейших философских проблем современной физики является проблема онтологического статуса объектов микромира, рассматриваемых в теории. Частицы и поля, возникающие в теории, предполагаются существующими в природе, однако, очевидным это существование не является. В качестве примера рассмотрим виртуальные частицы. В теории взаимодействия частиц в рамках квантово-релятивистской картины мира взаимодействие представляется как обмен промежуточными - виртуальными частицами. Виртуальные частицы - это теоретические объекты в современной квантовой теории поля, наделенные всеми характеристиками, что и реальные частицы, но не удовлетворяющие некоторым существенным условиям и ограничениям, накладываемым на характеристики реальных частиц. Виртуальные частицы характеризуются «мерцающим» бытием. Они не существуют таким же образом, как обычные частицы, и никогда не наблюдаются актуально. С точки зрения философии их адекватное понимание может быть достигнуто посредством концепции многомодусного бытия, в рамках которой объекты можно рассматривать сущими на двух модусах бытия - потенциальном и актуальном. При таком подходе виртуальные частицы необходимо исследовать как объекты, существование которых отнесено только к модусу потенциального бытия. Они никогда не наблюдаются как реальные, действительные объекты, выступая лишь на мгновение из потенциальности, никогда не актуализируясь полностью[11]. Другой философской проблемой квантово-релятивистской картины мира является такая фундаментальная проблема научного познания, каквзаимодействие изучаемого объекта и субъекта, микромира и макроприбора, с помощью которого проходит исследование этого мира. Эта проблема имеет глубокий философский характер и связана с проблемой воздействия исследователя на изучаемые им объекты в процессе наблюдения посредством приборов. Классическая физика тоже признавала, что приборы наблюдения и измерения оказывают свое возмущающее влияние на изучаемые процессы, но оно было там настолько незначительным, что им можно было пренебречь. В квантовой физике положение совсем иное - приборы и измерительные устройства, используемые для изучения микрообъектов, являются макрообъектами, соответственно они вносят такие возмущения в движения микрочастиц, что в результате их будущие состояния нельзя определить вполне точно и достоверно. Отсюда вытекает принцип дополнительности, означающий, что квантовые явления относительны к средствам их наблюдения. Данные, полученные при разных условиях опыта, должны рассматриваться как взаимодополнительные. Не наглядность квантовых явлений, их аналитико-символическое изображение обусловливает философскую проблему объектного описания реальности микромира. Отсутствие наглядности квантовых явлений имеет две трактовки. Первая связана с проблемой независимости микрореальности или ее описания от сознания наблюдателя. Вопрос ставится так: что описывает квантовая механика - микромир или микромир плюс сознание наблюдателя?[12] Данный вопрос ставили многие физики, стоявшие у истоков квантовой теории (Э. Шредингер, Ю. Вигнер и др.). Большая часть физиков к возможности включения сознания наблюдателя в измерительную процедуру относится критически, отвергая саму эту возможность. При этом ученые ссылаются на возможность замены наблюдателя компьютером, в случае чего речь вообще не может вестись о чьем-либо сознании. Вторая трактовка связана с тем, что квантовая механика в отличие от классической не открывает явления, которые существуют до любого акта измерения или описания. Эти явления создаются в процессе измерения и квантовая механика только их и описывает, не «добираясь» до самой реальности. Как отмечает доктор философских наук Е.А. Мамчур[13], сложно дать однозначную трактовку отсутствия объектного описания в квантовой механике. Многие свойства микрообъектов, и такие, как спин, заряд, масса не зависят от макроприборов, и, следовательно, характеризуют объект сам по себе. Действительно зависят от прибора такие свойства микрообъекта, как его положение в пространстве и импульс. Следующая философская проблема квантовой механики - проблема объективности как адекватности квантовой теории[14]. Объективность теории означает ее относительную истинность. Если объективность в науке перестает достигаться, то начинает проявляться релятивизм[15] или плюрализм, который приветствуются критиками классической рациональности, характеризующими его как основную черту новой неклассической рациональности. Квантовая теория объективна в той же мере, как и классическая физика. И в той, и в другой физической теории делается поправка на ее историческую ограниченность и относительность, обусловленные уровнем существующей системы знаний, экспериментальными возможностями данного периода развития науки. Таким образом, достигается относительная истинность теорий. В настоящее время не существует ни одного экспериментального факта, который противоречил бы квантовой механике. Эта теория находится в полном согласии со всеми имеющимися в наличии экспериментальными данными. В классической и неклассической физике различны лишь методы достижения объективности знания. Так, в отличие от классической физики, где для получения информации об объекте достаточно экспериментальной установки одного типа, для получения информации о микрообъекте необходимо использование двух типов экспериментальных установок: одна - для исследования волновых свойств микрообъекта, а другая - для исследования корпускулярных свойств. Эти приборы обеспечивают наблюдателя двумя типами взаимоисключающей информации, которые дополняют друг друга. Такие представления противоречат здравому смыслу с позиций классической механики, но с позиций квантовой механики в них зафиксировано пусть относительное, но истинное знание о микрореальности. Таким образом, в квантовой механике изменяются не каноны рациональности, а критерии, связанные с объектностью описания. Фундаментальной задачей современной физики является создание единой теории всех взаимодействий и частиц. Создание такой теории базируется на трех основных физических идеях: калибровочной природе всех физических взаимодействий, лептонно-кварковом структурном уровне в строении вещества и спонтанном нарушении симметрии первичного вакуума[16]. Физики часто называют единую теорию всех взаимодействий -«теория всего». Попытки создания подобной теории предпринимаются физиками-теоретиками с 1970-х гг. ХХ в. Так, на основе объединения электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия делается попытка создания теории Великого объединения фундаментальных взаимодействий. Основаниями для такой теории служит то обстоятельство, что на малых расстояниях (10-29 см) и при большой энергии (более чем 1014 ГэВ) эти взаимодействия описываются одинаково. По мере понижения энергии Великое объединение сначала распадается на сильное и электрослабое взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнитное и слабое. В настоящее время данная теория не нашла экспериментального подтверждения и разрабатывается теоретически. В современной физике существует также теория, цель которой объединить все четыре фундаментальных взаимодействия. Эта теория строится на базе открытой в 1970-е гг. суперсимметрии и теории суперструн[17]. Философско-методологические основания единства физического знания. Методологическая процедура верификации. Главная цель естественных наук - раскрыть единство сил Природы. Л. Больцман Природа разнообразна и это замечательно. Но само по себе разнообразие явлений природы для отдельно взятой личности в принципе губительно, если ее познание не дополняется стремлением к единству, связности и объединению [30]. В ходе постижения основ физики учащиеся должны будут понять тот важнейший факт, что с самого начала своего развития физическая наука занята поисками системы законов, в которой фиксируется общее, свойственное многообразию физической реальности. По замечанию М. Планка, «с давних времен, с тех пор, как существует изучение природы, оно имело перед собой в качестве идеала конечную, высшую задачу: объединить пестрое многообразие многообразие физических явлений в единую систему, а если возможно, то в одну-единственную формулу» [43, с. 613]. По мере знакомства с методологическими принципами физики учащиеся на конкретном материале убеждаются в том, что такое единство физического знания возможно и эту тенденцию к единению многообразия физических объектов и многообразия знаний о них при соответствующем построении учебного курса можно проследить. И сегодня поиски этого идеала продолжаются с не меньшим энтузиазмом. «Хотя мы и не знаем, как могут выглядеть окончательные законы или сколько лет пройдет, прежде чем они будут открыты, — пишет С. Вайнберг, — все же мы полагаем, что уже в современных теориях улавливаются проблески контуров окончательной теории» [6, с. 6]. В выпускном классе, при обращении к миру элементарных частиц и после того, как учащиеся окончательно осознали и признали наличие в природе четырех видов взаимодействия в природе, они уже склонны верить в возможность отыскания минимума физических теорий, описывающих многообразие мира. Практически все методологические принципы физики своим действием вносят свой вклад в единство научного и учебного физического знания. Для убеждения учащихся в этом и формирования у них соответствующих мировоззренческих представлений полезно их знакомство с обобщением знаний о методологии. Процесс обобщения представлений учащихся о существующем единстве физического знания можно будет разделить на два этапа: 1) на материале изучения фундаментальных научных теорий иллюстрировать совместную «работу» методологический принципов на обеспечение единства содержания и структуры теории, отражающей единство описываемого ею элемента физической реальности. 2) в ходе формирования представлений о современной физической картине мира еще раз подчеркивать место и роль по возможности каждого методологического принципа в построении наглядной, экономной по своим основаниям, непротиворечивой и обоснованной по своим выводам рассматриваемой на уроке картины. Философско-методологические основания единства физического знания. Методологическая процедура фальсификации. |