практическая 4. Практическое занятие №4. Занятие 4. Естественнонаучная картина мира Цель ознакомиться с основными принципами естественнонаучной картины мира
 Скачать 29.33 Kb.
|
|
Практическое занятие №4. «Естественнонаучная картина мира» Цель: ознакомиться с основными принципами естественнонаучной картины мира. Основные понятия: наука, естествознание, картина мира, механическая картина мира, квантово-полевая картина мира, электромагнитная картина мира. Информационная поддержка Понятие естественнонаучная картина мира активно используется в естествознании и философии с конца ХХ века. Специальный анализ его содержания стал проводиться более или менее систематически с 60-х годов ХХ века, но до сих пор понимание его не достигнуто. Вероятно, это связано с размытостью, неопределенностью самого понятия, занимающего промежуточное положение между философским и естественнонаучным уровнями обобщения. Результаты познания окружающего мира отражаются и закрепляются в сознании человека в виде знаний, умений, навыков, типов поведения и общения. Совокупность результатов познавательной деятельности человека образует определенную модель, или картину мира. В истории человечества было создано и существовало большое количество разнообразных картин мира, каждая из которых отличалась своим видением мира и специфическим его объяснением. Однако, самое широкое и полное представление о мире дает естественнонаучная картина мира, которая включает в себя важнейшие достижения науки. Она представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях реальной действительности. Естественнонаучная картина мира существует как сложная структура, включающая в себя в качестве составных частей общенаучную картину мира и картины мира отдельных наук (физическая, биологическая, геологическая и т. п.). Последние в свою очередь включают в себя соответствующие многочисленные концепции — определенные способы понимания и трактовки каких-либо предметов, явлений и процессов объективного мира, существующие в каждой науке. В мировоззренческом и методологическом отношении научные картинымира выполняют функции связующего звена между философией и отдельными науками, специальными научными теориями. Естественнонаучная картина мира включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем. В нее не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса. При этом она не является совокупностью общих знаний, она представляет целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы. Естественнонаучная картина мира, в отличие от строгих теорий, обладает необходимой наглядностью, характеризуется наличием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей. Таким образом, естественнонаучная картина мира – это особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное обобщение и мировоззренческо-методологический синтез различных научных теорий. Являясь фундаментом формирования научной картины мира, естествознание представляет собой определенную систему взглядов на то или иное понимание естественных явлений или процессов. И если такая система взглядов принимает единый, определяющий характер, то она, как правило, называется концепцией. С течением времени появляются новые эмпирические факты и обобщения и система взглядов на понимание процессов изменяется, появляются новые концепции. Если рассматривать предметную область естествознания предельно широко, то она включает: • различные формы движения материи в природе; • их материальные носители, которые образуют «лестницу» уровней структурной организации материи; • их взаимосвязь, внутреннюю структуру и генезис. В современном естествознании природа рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, т.к. ее познание достигается в процессе не только умозрительной, теоретической, но и практической деятельности человечества. Из этого вытекают и цели естествознания: • выявление сущности явлений природы, их законов и на этой основе предвидение или создание новых явлений; • умение использовать на практике познанные законы, силы и вещества природы. Понятие физическая картина мира употребляется в естествознании давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как самостоятельный вид знания — общее теоретическое знание в физике, система понятий, принципов и гипотез, служащих исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой стороны, вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания. Иными словами, физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие определенному историческому этапу развития физики. Постоянное развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. Основой для выделения отдельных ее типов служит качественное изменение фундаментальных идей, являющихся базой для физической теории и наших представлений о структуре материи и формах ее существования. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и в появлении новой. В истории естествознания было три последовательно сменявших друг друга физические картины мира: механическая, в рамках которой не могли найти объяснения электромагнитные явления; электромагнитная; квантово-полевая. Механическая картина мира. В XVI-XVII веках вместо натурфилософской утвердилась механистическая картина мира, распространившая на все явления в мире законы механики Галилея – Ньютона, которые принимались за основу всех других законов природы. Ее основу составили идеи, принципы, законы и теории механики, которые представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражали физические процессы в природе. В широком смысле механика изучает механическое движение материи, тел и происходящее при этом взаимодействие между ними. Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа мельчайших, неделимых материальных частиц — атомов. Они перемещаются в пространстве и времени в соответствии с законами механики, которые считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение и объяснялось на основе трех законов Ньютона. В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями. В таком мире нет случайностей, они полностью исключались. Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек рассматривался как природное тело в ряду других тел. По сути дела, классическое естествознание не стремилось постичь человека. На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. были разработаны земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации данного представления о мире, и оно стало рассматриваться в качестве универсального. Поэтому многие ученые пытались свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название механицизм. Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии. Это стало ясно при попытках описать тепловые, электрические и магнитные явления с помощью законов механики, что оказалось невозможным (электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов). Развитие науки раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея — механицизм. В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир. Так, в недрах механической стали складываться элементы новой — электромагнитной — картины мира. Электромагнитная картина мира. Наибольший вклад в формирование данного представления о мире внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания последним на основе открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с ней 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 (покоящиеся заряды) и магнитную (движущиеся заряды) силы, называется электромагнитной. Все многообразие этих сил и зарядов описывается систе¬мой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Это — закон Ш. Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона (F = к ' 22); 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. Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на вещество. пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Тем не менее эти изменения не 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. Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления о мире. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она так же, как и механическая, имеет относительный характер. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира. Квантово-полевая картина мира. В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика, описывающая состояние и движение микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства эле-ментарных частиц. 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 скорости (импульса). В квантовой механике, в отличие от классической физики, поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам. Общая картина реальности в квантово-полевой картине мира как бы двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания. Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий, которых известно четыре вида: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Они перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, соединяются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел. Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов, которые способствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе мира лежат случайность, вероятность. Новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию наблюдателя, т.е. человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной. В первой трети ХХ века физики изучили свойства и внешние проявления той атмосферы электронов, которая окружает атомное ядро. Эти исследования привели к единой цельной теории, обнаруживающей новые законы движения электронов в атоме. Эта теория получила название квантовой. Знаменитый немецкий физик Макс Планк ввел знаменитый постулат: вещество не может испускать энергию излучения иначе, как конечными порциями - квантами, пропорциональными частоте излучения. Энергия при излучении меняется скачкообразно, дискретными порциями – квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте волны, т.е. цвету излучаемого света. Понятие кванта явилось в последующем ключом к пониманию всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. К началу XIX века в физике окончательно побеждает волновая теория света (до того существовала корпускулярная теория света). Однако к концу XIX века некоторые явления нельзя было объяснить с этой точки зрения (тепловое излучение, внешний фотоэффект). Дальнейшие многочисленные опыты показали, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Это, казалось, противоречит здравому смыслу, ведь в обыденной жизни мы наблюдаем либо те, либо другие свойства, и первоначально это противоречие пытались объяснить ошибками теории. Однако дальнейшие опыты с рентгеновскими лучами показали, что они тоже обладают двойственной природой. Опыты показывают, что электроны, которые заведомо считались частицами, проходя через тонкие кристаллические пленки, создают такую же дифракционную картину, как и электромагнитные волны рентгеновского диапазона. Это позволило датскому физику Нильсу Бору выдвинуть принцип дополнительности (1927 г.), согласно которому в мире не существует "чистых" частиц и "чистых" волн. Все материальные объекты имеют двойственную природу - обладают корпускулярно-волновым дуализмом. В зависимости от характера проводимого эксперимента проявляются либо корпускулярный, либо волновой аспекты этого дуализма. Синтез корпускулярных и волновых представлений предложил французский физик Луи де Бройль. В 1924 г. де Бройль высказал гипотезу, что двойственность свойств присуща не только свету, но и материи вообще, приписав любой частице некий внутренний периодический процесс. Он развил представления А. Эйнштейна о двойственной природе света, распространив их на вещество. Любой частице, например электрону, присуща волна некоторой частоты (волны де Бройля). Так возникло представление о волнах материи. Идея де Бройля была неожиданна и открывала новые свойства вещества, о которых прежде не подозревали. В ХХ веке физики открыли огромное количество элементарных частиц, стали выявлять закономерности их взаимодействия. Частицы можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Описание свойств микрочастиц дается в квантовой физике, где описание свойств микрочастицы определяется с помощью волновой функции. Волновая теория рассматривает строение элементарных частиц как комбинации различных видов дискретных электромагнитных волн: поперечных, продольных, стоячих. Электронные волны - это волны вероятности. Такую интерпретацию предложил в 1926 г. немецкий физик Макс Борн, показавший, что микромир находится во власти вероятностных закономерностей, и не существует казуальной последовательности отдельных микропроцессов. Будущее состояние микрочастицы не может быть достоверно и точно предсказано. Понятие вероятности становится первичным, вокруг него строится наука 20 в., формируя новую, неклассическую стратегию познания. Корпускулярно-волновому дуализму нет механической аналогии, и он не может быть представлен наглядно. Очень многие реальные свойства материального мира гораздо многообразнее и сложнее, чем те, которые человек воспринимает зрительно, о которых узнает из повседневного опыта. Прогресс физики (и науки вообще) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. При одном наблюдении за поведением микрочастицы удобнее представлять её волной, а при другом - частицей. Единая физическая картина синтезирует эти описания. Задание 1 Заполните сравнительную таблицу по механической картине мира
Задание 2 Заполните сравнительную таблицу по Электро-магнитная картине мира
Задание 3 Заполните сравнительную таблицу по Квантово-полевая картине мира
|