Реферат: Естествознание прошло три стадии и вступило в четвертую. 1 Стадия древнегреческой натурфилософии

Общие представления об естествознании

1

История

естествознания

Стадии развития: естествознание прошло три стадии и вступило в четвертую.

1) Стадия древнегреческой натурфилософии (.VI в. до н.э – XV век н.э.)- непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого; охватывается верно общая картина, но совершенно неясны частности; это стадия «синкретических» знаний, которая была вместилищем мифов, легенд, идей и догадок.

2) Аналитическая стадия (XV-XVI в.- середина XIX в.) - идет расчленение и выделение частностей, приведших к возникновению и развитию физики, химии, биологии и ряда др. естественных наук. Осуществляется анализ природы, идет процесс дифференциации, расчленение науки на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий, выделение составных частей сложных химических веществ; но за частностями исчезает общая картина универсальности связи явлений.

3) Интегральная стадия (середина XIX в.- середина XX в.) - начинается воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путем приведения в движение остановленного, оживления омертвленного, связывания изолированного раньше, то есть на основе фактического соединения анализа с синтезом. Зарождается собственно естествознание.

4). С середины XX в. по настоящее время проявляется тенденция к интеграции наук при этом идет дальнейшая дифференциация научного знания (создание узких областей), эту стадию называют интегрально-дифференциальной..

Периоды в истории естествознания

Первый период - натурфилософский (зарождение элементов будущего естествознания) - характерен для древности VII –.VI в.в. до н.э. – I век н.э. В целом техника была еще слабо развита, хотя имелись уже отдельные выдающиеся технические достижения. Начали складываться в самостоятельные отрасли знания статика, астрономия и обслуживающая их математика Позднее стала выделяться химия (в форме алхимии). Анатомия, медицина, физика находились в зачаточном состоянии. Все естественно-научные знания входили в единую недифференцированную науку – натурфилософию. Дифференциация наук впервые наметилась в конце этого периода (александрийская наука).

Второй период - естествознание средневековья (до середины 15 века) характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и спорадическими открытиями у арабоязычных народов. Наука стала придатком теологии (астрология, алхимия, магия, кабалистика чисел). Прогресс техники совершался медленно. Техника не нуждалась в систематическом изучении природы и не оказывала заметного влияния на развитие естественно-научных знании, но и в это время шло накопление новых фактов, подготовивших переход к следующему периоду.

Третий период - классическое естествознание Нового времени начинается со времени становления капитализма в Западной Европе (со 2-й половины XVI века до конца XIX века). Естествознание этого периода революционно по своим тенденциям и механическим по сути. Здесь выделяется естествознание начала конца ХVII века - начала XVIII (формирование механического естествознания Г. Галилеем и завершение этого процесса И.Ньютоном). Господствующим методом мышления на этом этапе была метафизика, этот период можно назвать метафизическим. В XIX веке происходит стихийное проникновение диалектики в естествознание и утверждаются эволюционные идеи, так что третий период завершается стихийно-диалектическими процессами. В XIX веке произошло завершение исторического периода развития классической физики Новейшего времени. Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Датский физик Эрстед (1777-1851) открыл магнитное поле. Ампер на опытах установил связь магнитных и электрических явлений. Майкл Фарадей (1791-1867) открыл явление электромагнитной индукции. Максвелл (1831-1879) теоретически устанавливает природу электромагнетизма, вводит понятие электромагнитного поля. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что существуют электромагнитные волны и свет есть разновидность электромагнитных волн. Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны были открыты в 1888 г. Генрихом Герцем (1857-1894).

Четвертый период - постклассическое естествознание. С середины XX в. по настоящее время в естествознании началась четвертая революция, в ходе которой происходит разрушение прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени, утверждаются квантовые представления о процессах микромира и релятивистская динамика Эйнштейна.

2

^ Методы научного познания

1. Уровни научного познания:

1.1. Эмпирический – накопление первичного опытного материала, который требует дальнейшей обработки и обобщения.

1.2. Теоретический – приведение эмпирических данных в стройную систему и создание на их основе научной картины мира Различают фундаментальные теории и теории, описывающие конкретную область реальности.

2. Формы научного познания: (научные факты, проблемы, гипотезы и теории) - раскрывают динамику процесса познания, развитие знания в ходе исследования:

3. Методы научного познания

Научный метод – совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

Общие: метафизический и диалектический Общие методы позволяют связывать воедино все стороны процесса познания. К ним относят метод восхождения от абстрактного к конкретному, единство логического и исторического.

3.2. Частные (действуют в пределах одной науки) – это специальные методы, применяемые в пределах отдельных отраслей наук. Возможно применение частных методов в смежных науках, например, методов физики в химии, биологии и т. Д

3.3. Особенные: 3.3.1. Особенные эмпирические: наблюдение - целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены; измерение – определение количественных значений изучаемых сторон или свойств объекта иссл-я с помощью специальных технич. устройств; эксперимент - целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на Интересующий его объект для изучения его сторон, связей и отношений. 3.3.2. Особенные теоретические: индукция, дедукция, абстрагирование, идеализация, формализация, гипотеза.

Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента (от частного к общему).

Дедукция - метод научного исследования, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам (следствиям). Метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания, но дает возможность логически развернуть систему положений на базе исходного знания. Применяется как способ выявления конкретного содержания общих посылок.

3.3.3. Особенные универсальные: аналогия, моделирование, анализ, синтез, классификация,

Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-то одного объекта на другой, менее изученный, в данный момент изучаемый.

Моделирование - научный метод, основанный на изучении объектов посредством их моделей. Применяется в случаях, когда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для изучения.

Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мыслительного или реального расчленения предмета на составляющие части. Анализ обычно является начальной стадией любого исследования.

Синтез - метод научного исследования, основанный на соединении различных элементов предмета в единое целое, в систему. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных при анализе. При синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта.

Классификация - научный метод, позволяющий объединить в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках.

3

^ Естественнонаучная и гуманитарная культуры

Гуманитарная и естественнонаучная культуры: от конфронтации к сотрудничеству

Современная наука — сложная и многообразная система отдельных научных дисциплин. Науковеды насчитывают их несколько тысяч, которые можно объединить в две следующие сферы: Фундаментальные науки имеют своей целью познание объективных законов мира как они существуют «сами по себе» безотносительно к интересам и потребностям человека. Прикладные науки - разрабатывают способы применения полученных фундаментальной наукой знаний для удовлетворения потребностей и интересов людей.

Совокупность систем ценностей, присущих отдельным наукам, называют научной культурой; говорят, например, о культуре гуманитарного познания, культуре естественно-научного познания, культуре технического знания и т.п. Характер научной культуры многое определяет в проблемах организации науки, в проблемах отношения науки и общества, вопросы нравственной ответственности ученого, особенности «этики науки», отношение науки и идеологии, науки и права, особенности организации научных школ и управления научными исследованиями и т.п. Наиболее контрастны такие различия «научных культур» между культурами гуманитарного и естественнонаучного познания.

Широко распространены представления о «двух культурах» в естественно-научной и гуманитарной культуре. Английский историк и писатель Ч. Сноу в середине 20 века написал книгу о «двух культурах», в которой сокрушается по поводу огромной пропасти между гуманитарной и естественнонаучной культурой. Ученые, посвятившие себя изучению гуманитарных и точных отраслей знания, все более и более не понимают друг друга .

Естествознание ориентировано на рационально-логический метод восприятия действительности, это знание выражается в тонных формулировках и количественных соотношениях, законах, нередко оформленных в виде математических формул. Гуманитарные знания получены путем эмоционально-образного восприятия действительности

Однако, художественно-образный и научно-рациональный способы отражения мира вовсе не исключают друг друга. Ученый должен обладать способностью не только к понятийному, но и к образному творчеству, обладать тонким художественным вкусом. Так, многие ученые прекрасно разбираются в искусстве, живописи, литературе, играют на музыкальных инструментах, глубоко переживают прекрасное, да и само научное творчество выступает для них как некий вид искусства. С другой стороны, художник, деятель искусства творит не произвольные, а типические художественные образы, предполагающие процесс обобщения, познания действительности. Таким образом, познавательный момент органично присущ искусству.

Одна из всеобщих закономерностей исторического развития науки — диалектическое единство дифференциации и интеграции науки. Образование новых научных направлений, отдельных наук сочетается со стиранием резких граней, разделяющих различные отрасли науки, с образованием интегрирующих отраслей науки (кибернетика, теория систем, информатика, синергетика и др.), взаимным обменом методами, принципами, понятиями и т.п. Наука в целом становится все более сложной единой системой с богатым внутренним расчленением, где сохраняется качественное своеобразие каждой конкретной науки. Таким образом, не конфронтация различных «культур в науке», а их тесное единство, взаимодействие, взаимопроникновение является закономерной тенденцией современного научного познания. В настоящее время процесс объединения двух культур динамично развивается.

Этические нормы и ценности науки строятся вокруг четырех основополагающих ценностей.

Универсализм, убеждение в том, что изучаемые наукой природные явления повсюду протекают одинаково и что истинность научных утверждений должна оцениваться независимо от возраста, пола, расы, авторитета, титулов и званий тех, кто их формулирует. Наука, стало быть, внутренне демократична.

Общность, смысл которой в том, что научное знание должно свободно становится общим достоянием. Тот, кто его впервые получил, не вправе монопольно владеть им, хотя он и имеет право претендовать на достойную оценку коллегами собственного вклада.

Незаинтересованность. Первичным стимулом деятельности ученого является бескорыстный поиск истины, свободный от соображений личной выгоды — завоевания славы, получения денежного вознаграждения.

Конструктивный скептицизм. Каждый ученый несет ответственность за оценку доброкачественности того, что сделано его коллегами, и за то, чтобы эта оценка стала достоянием гласности. Равно необходимы как уважение к тому, что сделали предшественники, так и критическое отношение к их результатам. Более того, ученый должен не только настойчиво отстаивать свои научные убеждения, используя все доступные ему средства логической и эмпирической аргументации, но и иметь мужество отказаться от этих убеждений, коль скоро будет обнаружена их ошибочность.

4

Панорама и тенденции развития современного естествознания

Когда говорят о современном естествознании, имеют в виду:

1. квантовую теорию

2. теорию относительности

3. теорию коллективных явлений или синергетику.

4. теорию катастроф

В настоящее время можно говорить о новой глобальной научной революции, в ходе которой рождается новая постнеклассическая наука.

Кейс стадис - это относительно новое направление в развитии науки, разрабатываемое с 70-х годов нашего столетия. Кейс стадис допускает одновременное существование разных теорий и даже парадигм.

^ Квантовая теория получила свое начало в процессе решения проблемы излучения абсолютно черного тела, когда:

1. М.Планк в 1900 г. предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Такая дискретность означает, что волна имеет свойство частиц, корпускул! Энергия же одной такой частицы определяется частотой волны, Е=hν и равна произведению частоты ν на новую мировую константу (постоянную Планка h. Выполнив расчет, Планк получил распределение энергий в точности совпадающее с экспериментом.

2. А.Эйнштейн применил странную идею Планка к объяснению явления фотоэффекта

3. И Дэвиссон и Джермер пронаблюдали дифракцию потока электронов на кристаллической решетке никеля и обнаружили волновые свойства. Де-Бройль предположил, что у всех материальных объектов могут быть как корпускулярные, так и волновые свойства.

4. Работы Шредингера и Гейзенберга превратили обычную механику в волновую, основным понятием которой стала так называемая волновая функция, с помощью которой можно было предсказать вероятность обнаружения микрочастицы в том или ином месте пространства.

Все смешалось. Избежав ультрафиолетовой катастрофы, физика вступила в новый этап, где результаты перестали быть наглядными.

Наиболее важной отличительной чертой новой физики явилась именно ее концептуальная основа, основа на концепции, принципиально неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами, требующий построения аксиоматической теории. Именно об этом шла речь во Введении, когда обсуждался "эксперимент на расстоянии". Одновременно возник важный вопрос, который ранее не обсуждался во всей полноте: что такое измерение? Что именно и как мы измеряем, когда измеряем что-то?

теория относительности разработана А.Эйнштейном, в е основе – два постулата:

1. Скорость света есть величина постоянная в любых системах отсчета

2. Все физические процессы при одних и тех же условиях протекают одинаково в любых системах отсчета. (это вытекает из опыта Майкельсона-Морли по определению скорости движения Земли относительно эфира).

Следствием двух этих постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета) является то, что при движении с околосветовой скоростью происходит: а) замедление времени, б) сокращение линейных размеров тел. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности.

Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой: а) материальные объекты искривляют пространство, т.е., что свойства пространства зависят от свойств материальных тел В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр следует из этой теории.

синергетикА. Большой вклад в исследование коллективных явлений в открытых системах был сделан И.Пригожиным, разработавшим так называемую нелинейную динамику и доказавшим, что неравновесие в термодинамической системе может быть причиной возникновения порядка. Если от рассмотрения замкнутых систем перейти к рассмотрению открытых, обмениваются энергией с окружающей средой, то возможно усиление флуктуаций, в результате которого в хаотической системе возникает упорядоченность, структура. Пожалуй, наиболее наглядным примером является образование перистых облаков. Облака - это мельчайшие частички жидкой воды или твердого льда, находящиеся в сложной системе воздушных потоков, и обычное кучевое облако, несмотря на опознаваемую форму (паттерн), структуры все же не имеет. Однако в определенных условиях она возникает, и появляются перистые облака с правильным чередованием равноотстоящих перьев. Это так называемый кооперативный эффект. Нечто подобное происходит и в такой непохожей системе, как лазер, где в результате кооперативного эффекта происходит согласованное излучение электромагнитных волн. С этой точки зрения процессы лазерной генерации были исследованы Г.Хакеном. И в случае фазовых переходов, сопровождающихся сменой симметрии, также играют роль кооперативные эффекты, и в химических реакциях особого рода. Таким образом, налицо образование структур в неживой материи, то есть свойство, которое считалось присущим лишь живому веществу. Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, поведение которой не может быть описано в рамках традиционной статистической физики. В состоянии такого перехода элементы системы ведут себя коррелировано, хотя до этого они пребывали в хаотическом движении. Такое совместное взаимодействие частиц с образованием структур получило название синергетики.

теория катастроф. Тома разработал теорию катастроф - скачкообразных изменений, возникающих в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий, - накопление мелких незначительных воздействий в конце концов вызывает лавинообразный срыв. Примером такого сорта явлений является накопление песка, высыпающегося тонкой струйкой на поверхность: сначала он просто рассыпается по ней, затем вырастает конус и в какой-то момент, когда количество песка в верхней части конуса превысит критическое значение, происходит обвал, а затем вновь наступает равновесие и накопление новой массы сверху. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений.

Современная наука - это наука, связанная с квантово-релятивистской картиной мира. Ее основные особенности следующие:

1.       квантово-релятивистский подход;

2.       диалектичность;

3.       изучение объектов и явлений на основе теории вероятности;

4.       признание неисчерпаемости материи вглубь;

5.       антиэлементаризм, т. е. отказ от стремления выделить элементарные составляющие сложных структур;

6.       неточность и нестрогость результатов исследования и научных теорий;

7.       отказ от изоляции предмета исследования от окружающих воздействий;

8.       динамизм, обусловленный исследованиями неравновесных, нестационарных, открытых систем с обратной связью;

9.       развитие наук биосферного класса;

10.   апогей противостояния науки и религии.

Современный сциентизм формирует следующие мировоззренческие установки:

 рациональный расчет;

 прагматизм (люди - средства достижения цели);

 доминирование материальных интересов над духовными;

 сомнение в истинности духовных ценностей.

В настоящее время черты будущего постмодернистского мировоззрения и постнеклассической науки.

По мнению большинства ученых, будущая постнеклассическая наука будет обладать следующими чертами:

1. Признавать равноправие таких сфер человеческой деятельности, как религия, философия, искусство. Постмодернизм принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой деятельности в качестве ведущей. Постнеклассическая наука должна быть гармонично вписана в систему человеческой культуры и мировоззрения.

2. Иметь тенденцию к гуманизации, т. е. включить в свой предмет человека, допуская элементы субъективности в объективно истинном знании.

3. Познание в постнеклассической науке должно иметь диалогический характер.

4 Должна основываться на идее глобального эволюционизма - всеединой, нелинейной, самоизменяющейся, самоорганизующейся системы, в недрах которой возникают и исчезают структуры от физических полей, до биосферы и более крупных систем.

5. Иметь комплексный характер на основе стирания граней и перегородок между традиционно обособленными естественными, общественными и техническими науками, интенсификации междисциплинарных исследований.

6 Должна опираться на новые достижения в сфере хранения и получения знаний.

7. Выступать как предпосылка производства и воспроизводства человека как субъекта исторического процесса, как личности и как индивидуальности.
^ Самоорганизация материи
 Идея самоорганизации материи утвердилась в научном мировоззрении во второй половине ХХ века в связи с заменой стационарной модели Вселенной развивающейся моделью. Стационарная модель Вселенной считала господствующей тенденцию материи к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращению ее к исходному хаосу. Прежние представления базировались на основе статистической механики и равновесной термодинамики, которые описывают поведение изолированных систем, не обменивающихся ни веществом, ни энергией с окружающей средой. Вселенная тоже рассматривалась как замкнутая система.

Сегодня наука считает все известные системы, от самых малых, до самых больших, открытыми, т. е. обменивающимися веществом, энергией, информацией и находящимися в термодинамически неравновесном состоянии. На этой основе возникло представление о самоорганизации материи.

Самоорганизация - это природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую критического состояния в своем развитии, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

^ Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного эволюционного развития.

Сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Процесс объединения простых элементов в более сложные системы протекает лишь при определенных условиях, при которых наступает критический момент. Существуют пороговые значения управляющих параметров (температура, плотность, давление и т. д.), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен.

Наиболее высоким уровнем упорядоченности обладает жизнь и порожденный ею разум. Тем не менее, сравнительно недавно установлено, что самоорганизация присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Все самоорганизующиеся системы различных уровней имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным системам. Разработка теории самоорганизации началась в последние годы по нескольким направлениям:

        синергетика (Г. Хакен);

        термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин);

        теория катастроф (Р. Том).

 

Синергетика - наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. ^ Понятие синергетика означает кооперативность (содействие, сотрудничество), взаимодействие различных элементов системы.

Синергетика возникла она в результате исследования процессов развития в различных системах – гидродинамических, химических, биологических и других. Было обнаружено, что в этих системах в неравновесных условиях спонтанно происходит переход от менее упорядоченных и сложных форм организации к более сложным и упорядоченным. Причём во всех системах алгоритм перехода оказался одним и тем же, и описывался он одними и теми же математическими уравнениями. По этой причине мы можем утверждать, что принципы синергетики имеют глобальный характер, и претендуют на роль универсального природного закона.

  Различают два типа самоорганизации: 1-й, когда в системе не появляется качественно новых элементов и наблюдается их перекомбинация, сочетание элементов или изменение их количества (в неживой природе - образование галактик, вихрей, химические автоколебательные реакции, лазеры, неравновесные фазовые переходы и пр.); 2-й - в системе появляются качественно новые элементы, так называемые бифуркационные точки роста (в живой природе - образование видов, зарождение жизни, появление человека и пр.). Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

В отсутствии самоорганизации наблюдается быстрое установление однородного состояния; все части простой системы тождественны между собой, везде все одинаково, симметрично, однородно. Именно в этом различие в самоорганизации в живой и неживой природе.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина рассматривает неравновесность открытых систем как причину порядка. Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать порядок из хаоса, она обязательно должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными. Весь мир, доступный человеку, состоит именно из таких систем.

Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофы - это скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория исследует все скачкообразные переходы, разрывы, внезапные качественные изменения.

Физические концепции мира

5

^ Структурные уровни организации материи

Структурные уровни организации материи

Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни:

 микромир (элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы),

 макромир (комплексы молекул; микрофизические комплексы: кристаллы, клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера)

 Мегамир (планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика).

На основании этих представлений выделяют:

1.^ Геоцентрический мир - реальный мир на уровне макромира. Явления геоцентрического мира описываются евклидовым пространством, ньютоновым (абсолютным, одномерным) временем и лейбницевым качеством, где целое всегда больше части.

2.^ Негеоцентрический мир - микромир и мегамир, описываемые неевклидовым пространством (геометрии Лобачевского-Римана), неньютоновым временем, нелейбницевым качеством (теория относительности, квантовая механика).

Структура микромира. В настоящее время в микромире выделяется четыре уровня вещества:

1. молекулярный;

2. атомный;

3 нуклонный (уровень атомного ядра);

4. кварковый.

Уже обсуждается возможный облик пятого уровня вещества - суперструнного. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют другие свойства соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и проявлениях. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению, т. е. меньше 10-15 см.

Исходя из значения спина (внутренней степени свободы движения частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы:

 частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 ...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Поля бозонов переходят в классические поля. Так, одна из бозонных частиц, - фотон может стать классическим электромагнитным полем, излучающим свет, радиоволны. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей.

 частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2 ...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. Этот закон квантовой механики получил название запрета Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными и легко переходят в частицы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.

Класс лептонов включает 6 частиц и 6 античастиц:

 электрон,  мюон, тау-лептон,  три вида нейтрино.

 Лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов и в сильных взаимодействиях.

Класс кварков также содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом.

Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа. Кварки - электрически заряженные частицы, имеющие дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком.

Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Адроны подразделяются на 3 группы:

1. Барионы: протон и нейтрон, фундаментальная основа атомных ядер.

2. Мезоны - частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка.

3. Антивещество - содержит частицы, образуемые сочетанием трех антикварков. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.

6

^ Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

Основными формами материи являются вещество и поле.

Вещество - это различные частицы и тела, имеющие массу покоя.

Поле - это специфическая форма распределения материи в пространстве и времени. Поля и их кванты не имеют массы покоя, хотя обладают энергией и импульсом. Вещества и поля тесно взаимосвязаны между собой. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет заполнено полями, а на долю частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (10-36-10-40 объема). Таким образом, поля входят в структуру вещества. Это доказывает единство непрерывности (континуальности) и прерывистости (дискретности) материи.

Частицы обладают относительной дискретностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они ведут себя дискретно, в виде квантов. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы неотделимы от полей, и не существует резкой границы, где кончается частица и начинается ее внешнее поле.

Единство непрерывного и прерывистого в структуре материи проявляется в единстве корпускулярных и волновых свойств всех частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, объекты микромира при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства: способность к дифракции, интерференции, характеризуются длиной волны (l), обратно пропорциональной их массе (m) и скорости (v).

 

 где h - постоянная Планка;

 Это соотношение устанавливает взаимосвязь корпускулярного параметра частицы (массы) с волновым (длина волны).

Поле и вещество обладают определенными физическими параметрами. Движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями в пространстве и времени. Частицы характеризуются массой покоя, зарядом, временем жизни, квантовыми числами, спином (моментом количества движения).

Вещество может находиться в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном (сильно ионизированного газа). Разновидностями плазмы являются: пламя, взрыв, электрические заряды (искровой, тлеющий, дуговой, коронный, шаровой).

Поля бывают: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое (связывают частицы в ядрах атомов). В настоящее время ряд ученых признает существование биополя, но пока его реальность недостаточно подтверждена экспериментально.

Способом существования материи является движение.

Движение - это всякое изменение вообще, а именно в пространстве и времени. Материя и движение сущностно едины, их нельзя разделить. Это доказывает формула Эйнштейна:

 

В 1924 Луи де Бройль предположил: не только луч света, но и все тела в природе должны обладать и волновыми и корпускулярными свойствами одновременно. Поэтому, кроме световых волн и частиц материи, в природе должны реально существовать и корпускулы света, и волны материи. Конкретно, он предложил с каждым микрообъектом связывать, с одной стороны, корпускулярные характеристики (энергию Е и импульс р.), а с другой стороны, волновые характеристики (частоту ν и длину волны λ).

Свет имеет два типа свойств, которые кажутся прямо противоположными: волновые свойства и свойства частиц. Довольно часто два типа свойств приводят к одинаковым результатам, но имеется и существенная разница. Её можно представить следующим образом:

Частицы:

Переносят свою энергию (кинетическую) и импульс компактным пакетом.

При наложении двух потоков их вклады прибавляются один к другому.

Отбрасывают резкую тень

Либо проходят через дырку в стенке, либо не проходят, частица не может частично пройти через одну, а частично через другую дырку в одной и той же стенке.

Волны:

Переносят свою энергию, распределённую по всему «фронту волны».

При наложении двух потоков (из одного источника) интерферируют

Огибают препятствия.

Могут переходить с одной стороны стенки на другую через любое количество дырок.

Поперечные волны могут обладать поляризацией.

Идею дуализма «волна-частица» трудно воспринять для света, но ещё труднее для атомов, электронов и всех частиц. Свет, проходящий через пару щелей в стенке, образует на удалённом экране интерференционные полосы Юнга. Но его энергия, очевидно, переносится пулеподобными квантами, большая часть которых попадает на яркие и только малая часть квантов - на тёмные полосыi.

Первоначально идея дуализма была применена к электромагнитному излучению. Еще в 1917 г. Эйнштейн предложил рассматривать введенные Планком кванты излучения как своеобразные частицы, обладающие не только определенной энергией, но и опр