Наука в европейском Средневековье.

Восточные государства значительно опережали Европу в экономическом и культурном развитии в течение эпохи раннего средневековья (VII—XI вв.) Если, например, Бируни переводил Птолемея, определял радиус Земли, размышлял о гелиоцентрической системе мира, то в Европе господствовали наивные представления о Земле как о плоской лепешке, накрытой хрустальным колпаком и опоясанной океаном

Один из столпов католической церкви — блаженный Августин — объявил представления об антиподах нелепостью, другой католический авторитет — фома Аквинский — провозгласил тезис: «философия — служанка богословия».

Однако уже с X в. начинают развиваться экономические и культурные связи Европы и Востока. Большую роль в этом сыграли со второй половины XI в. знаменитые крестовые походы, доставившие европейцам новые сведения: экономические, технические и культурные.

Происходящее в Европе развитие ремесла и торговли способствовало оживлению экономики и культуры. Появляются первые университеты, сначала в Испании, где уже арабами был организован университет в Кордове, затем в Италии, Париже и Англии. Университет средневековой Европы существенно отличался от современного университета, однако до нашего времени сохранились ученые степени доктора и магистра, звания профессора и доцента, лекции как основная форма сообщения знаний, факультеты как подразделения университета. Отмерла такая форма обучения, как диспут, имевшая широкое распространение в средневековых университетах, но научные дискуссии и семинары имеют большое значение и в современной науке, и в высшей школе.

Лекция (буквально — чтение) в средневековом университете по необходимости была основной формой сообщения знаний. Книг было мало, они были дороги, и поэтому чтение и комментирование богословских и научных трудов являлось важной формой информации.

Преподавание велось на латинском языке, равно как и бого&гужение в католических храмах. До XVIII в. латинский язык был международным научным языком, на нем писали Коперник, Ньютон и Ломоносов.

До сих пор в европейских университетах торжественные речи читаются, а дипломы пишутся на латинском языке. На торжественных актах профессора появляются в средневековых докторских мантиях и шапочках. Так современная наука сохраняет память о первых университетах, возникновение которых явилось одной из главных предпосылок научного прогресса.

Другой предпосылкой будущего расцвета науки послужило развитие техники. Механические часы, очки, книгопечатание, производство бумаги сыграли огромную роль в развитии естествознания. Немалую роль в развитии цивилизации сыграл компас, история которого начинается в Древнем Китае, где в рукописи II в. н. э. встречается указание на свойство намагниченной иглы указывать направление. Уже в XI в. китайцам было известно магнитное склонение. Арабские мореплаватели начиная с XII в. пользовались компасом. В Европу он проникает в ХП-ХШ вв.

О значении компаса в истории цивилизации свидетельствует тот факт, что именно наличие компаса позволило Колумбу предпринять свое историческое путешествие. «Компас — инструмент малый, но без него не была бы открыта Америка», — любил говорить известный советский ученый академик А. Н. Крылов. Отметим, что Колумб был первым европейцем, обнаружившим склонение магнитной стрелки.

Третья предпосылка научного прогресса — ознакомление с античным научным наследием. В XII в. появляются латинские переводы «Начал» Евклида, трудов Архимеда, Птолемея и других греческих авторов. Тогда же появились переводы Хорезми и Алхазена.

Основным фактором, определившим революционные изменения в развитии общества и науки, было то, что внутри феодального общества вызревали новые производительные силы, пришедшие в противоречие с феодальными производственными отношениями и потребовавшие как новых форм общественного бытия, так и новой науки. Пока же культивировавшаяся в университетах схоластическая наука базировалась на антинаучном по самой сути принципе — истина уже открыта в священном писании и в трудах богословских авторитетов (к которым причислялся и приспособленный к нуждам церковного мировоззрения Аристотель), и долг ученых—изучать и комментировать эту истину.

В этих условиях науке было трудно развиваться; свободная, самостоятельная мысль беспощадно подавлялась. Эта эпоха вошла в историю науки как «период застоя», как «темная ночь средневековья». Однако и в это время жили и работали люди, возвышавшиеся над общим уровнем, искавшие новых путей познания. Таким был, например, знаменитый монах Роджер Бэкон (1214—1294). Бэкон родился в Англии в графстве Сомерсет, учился в Оксфордском и Парижском университетах, в 1250 г. вступил в монашеский орден францисканцев. В Оксфорде он занимался научными исследованиями.

Независимость в мышлении навлекла на него обвинение в ереси, и он был заключен в тюрьму. Освобожденный папой Климентом IV, он уехал во францию, но там вновь подвергся преследованиям и вышел из тюрьмы только глубоким стариком в 1288 г. Бэкон считал, что ученый не должен сводить науку к толкованию авторитетов. По его мнению, наука должна строиться на строгих аргументах и точном опыте, доказывающем теоретические заключения. Бэкон резко выступал против всеобщего увлечения книгами Аристотеля, вдобавок искаженными невежественными переводчиками. В этом отношении он являлся прямым предшественником Галилея.

Бэкон не ограничивался указанием на большое значение опыта. Он неутомимо экспериментировал и сам производил химические, оптические, физические эксперименты и астрономические наблюдения.

Бэкон знал действие камер-обскуры, увеличивающее действие выпуклых линз, установил, что вогнутые зеркала фокусируют параллельные пучки в точ ку, лежащую между центром и вершиной зеркала, предвидел возможность построения оптических приборов. Он сделал шаг вперед в объяснении явления радуги, сравнивая ее цвета с радужными цветами при преломлении света в хрустале, в каплях росы, в водяных брызгах.

При этом он установил, что угол, образованный направлением падающего на водяные капли луча с лучом, направленным от радуги в глаз, составляет 42°.

Младший современник Бэкона поляк Вителло (родился около 1230 г.) был автором написанной в 70-х годах ХIII в. книги по оптике «Перспектива». Он также исследовал радугу и пришел к выводу, что она образуется от преломления лучей в отдельных водяных каплях.

Ход светового луча в дождевой капле, приводящий к образованию радуги, правильно описал умерший в 1311 г. монах Дитрих (Теодорих) фрейбург-ский.

Таким образом, вХШ в. радуга привлекала внимание многих исследователей Следует добавить, что в конце XIII в. были изобретены очки.

XIII век вообще характеризуется оживлением духовной жизни. В этом веке, кроме Бэкона, жили и работали такие деятели, как знаменитый богослов фома Аквинский, идеалистическая философия которого («томизм») имеет распространение и в современной западной философии; Вильгельм Оккам, выступивший против идеалистической теории о реальном существовании общих понятий; Роберт Большеголовый, занимавшийся оптикой. Интересную фигуру представляет Петр Перегрин — рыцарь Пьер из Марикура, написавший 8 августа 1269 г. в военном лагере «Послание о магните» («Послание о магните Пьера де Марикур, по прозванию Перегрина, к рыцарю Си геру де фукокур»).

В книге автор указывает, по каким признакам можно отобрать хороший «магнитый камень», как распознать полюса магнита. Все эти практические указания свидетельствуют о хорошем знании Марикуром естественных магнитов, о его большом опыте в обращении с магнитом. Марикур дает инструкцию проведения опыта, показывающего, что разноименные полюса магнита притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Пьер де Марикур описывает подробно свойство плавающего магнита указывать на север «к звезде, которую называют мореходной, оттого, что она находится около полюса; но на самом деле он поворачивается не к упомянутой звезде, а к полюсу...» Далее Перегрин указывает, что если целый продолговатый магнит А О разломить на две части, то получится два магнита АВ и СО с двумя полюсами. Если магниты сблизить, они соединятся в месте разлома ВС.

Во второй части своего послания Марикур описывает конструкцию магнитного инструмента, «при помощи которого определяют на горизонте азимут Солнца, Луны и любой звезды», а также проект вечного двигателя с магнитом. Сочинение Пьера де Марикура представляет собой видную веху в ранней истории магнетизма. На фоне рассказов о фантастических свойствах магнитного камня, которые были в ходу даже спустя столетия после «Послания», сочинение Марикура выглядит как первое серьезное экспериментальное исследование магнетизма, а сам Мари-кур — как ученый-экспериментатор, строящий свои выводы на основе опытов. Роджер Бэкон высоко ценил Марикура, называя его в своих сочинениях «магистр Петр» и превознося его ученые заслуги. В «Послании» Марикур упоминает о своем не дошедшем до нас сочинении «О действиях зеркала», свидетельствующем, что он занимался не только магнетизмом, но и оптикой Прозвище Марикура «Перегрин» — странник — указывает на то, что он много путешествовал и, по-видимому, бывал на Востоке.

В XIV в. начинается реакция. Усиливается со стороны церкви борьба с «ересью», вводится пытка. Было осуждено учение и сожжен труд Николая из Отрикура, который, следуя атомистам, утверждал, что в мире нет ничего, кроме сочетания и разделения атомов Он был вынужден отречься от своего учения. Церковь осудила также учение Вильгельма Оккама, который защищал возможность двух видов познания — научного и божественного откровения — и требовал свободы для научного познания. Тем не менее и в XIV в. жизнь не стояла на месте. Продолжается развитие техники, появляются башенные колесные часы в Париже, в Германии, в Москве В 1440 г. Иоганн Гуттенберг (1400-1468) изобретает книгопечатание отдельными вырезными буквами. Наступала новая эпоха в развитии цивилизации и науки.

Классическая наука

1.1 Возникновение классической науки

Классическая наука появляется в результате научной революции XVII века. Она все еще связана пуповиной с философией, потому что математика и физика продолжают считаться разделами философии, а философия – наукой. Философская картина мира строится естествоиспытателями как научная механистическая картина мира. Такое научно-философское учение о мире называется «метафизическим». Оно получается на основе классического типа рациональности, который складывается в классической науке. Ему характерны детерминизм (представление о причинно-следственной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений и процессов реальности), понимание целого как механической суммы частей, когда свойства целого определяются свойствами частей, а каждая часть изучается одной наукой, и вера в существование объективной и абсолютной истины, которая считается отражением, копией природного мира. Основоположники классической науки (Г. Галилей, И. Кеплер, И. Ньютон, Р. Декарт, Ф. Бэкон и др.) признавали существование Бога-творца. Они полагали, что он творит мир в соответствие с идеями своего разума, которые воплощаются в объектах и явлениях. Задача ученого – открыть божественный замысел и выразить его в виде научных истин. Их представление о мире и познании и стало причиной появления выражения «научное открытие» и понимания сущности истины: коль скоро ученый открывает то, что существует помимо него и лежит в основе всех вещей, научная истина объективна и отражает реальность. Однако по мере увеличения знаний о природе классическое естествознание все больше приходило в столкновение с идеей неизменных законов природы и абсолютности истины.

1.2 Классическая физика и астрономия

В XVII в., появляется первая физическая теория, соответствующая современным представлениям о науке – классическая механика. С этого времени и почти 200 с лишним лет классическая механика служила теоретическим фундаментом рационализма в науке, причем как в науках о природе, так и в гуманитарных науках. У ее истоков стояли Галилео Галилей (1564-1642), Рене Декарт (1596-1650), Христиан Гюйгенс (1629-1695), Исаак Ньютон (1643-1727).

Х. Гюйгенс разработал волновую теорию света. В ней утверждалось, что световые волны распространяются в эфире, представляющем собой пронизывающую все тела тонкую материю. Распространение света происходит благодаря распространению колебаний эфира. Каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Эмпирическим подтверждением идеи эфира можно считать распространение волн на поверхности воды. Волна идет, а вода стоит на месте, но ее поверхность движется вверх и вниз. Гюйгенс лучшим доказательством своей волновой теории считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без помех и возмущений.

Г. алилей (1564-1642) считал, что научный метод состоит не в пассивном созерцании и умозрении, а в эксперименте и проверил правильность физических представлений Аристотеля. Оказалось, что тела падают с одинаковым ускорением, независимо от веса, Земля вращается и не является центром Вселенной, вращается и Солнце, но всякое движение относительно (Реале, Антисери 1996: 98-134). С открытиями Н. Коперника, Дж. Бруно, И. Кеплера, Г. Галилея и Ф. Бэкона стало утверждаться представление, что всё происходящее подчиняется единым естественным законам (каузальный взгляд, в отличие от целевого у Аристотеля)

Галилей обосновал гелиоцентрическую систему Коперника, сформулировал закон инерции и определил принципы исследования материальных тел в физике, которые вошли в законченную теорию механики для изолированных систем И. Ньютона. Он представил ее в сочинении под названием «Математические начала натуральной философии», опубликованном на латыни в 1686 г. Ньютон первым использовал математический метод обращения физических законов в количественно измеримые результаты, которые можно было подтвердить наблюдениями, и, наоборот, выводить физические законы на основе таких наблюдений.

Наблюдательная астрономия сделала большой шаг вперед на рубеже XVI - XVII вв. благодаря изобретению телескопа. Имя создателя телескопа в истории не сохранилось, зато известно, что в 1609 г. в Венеции Галилей продемонстрировал изготовленный им телескоп, с помощью которого сделал немало замечательных открытий и вошел в число основателей небесной механики, к которым принадлежали также немецкий ученый Иоганн Кеплер и английский естествоиспытатель Исаак Ньютон.

Кеплером в 1605 г. были открыты первый и второй законы планетных движений. Первый закон утверждал, что орбиты имеют не круговую, а эллиптическую форму, второй - давал описание изменения скорости движения планеты по орбите, отрицая принцип равномерности небесных движений. Эти два закона движения планет были установлены для Марса на основе обширных вычислений и изложены в его главном труде «Новая астрономия». В другой его работе, «Гармония мира», опубликованной в 1619 г., к двум первым добавлялся третий закон, устанавливающий математическое отношение параметров эллиптического движения.

В XVII и XVIII веках развитие астрономии решающим образом определялось использованием усовершенствованных телескопов и развитием механики как раздела экспериментально-математической физики. Венцом классической астрономии стала теория, называемая «небесная механика» - та же самая, что стала венцом классической физики. Как уже отмечалось, она была изложена И. Ньютоном в «Математических началах натуральной философии» (1687 г.), в которой он обобщил идеи и достижения Галилея и Кеплера. Под законы Кеплера Ньютон подвел теоретическое основание в виде закона всемирного тяготения, то есть форму орбит небесных тел он объяснил действием на них сил тяготения. Ньютон обосновал также выводы о том, что под действием сил тяготения вращающиеся небесные тела должны быть сплюснуты у полюсов, и что планеты не переносятся по кругам материальными вихрями (и таким образом опроверг разделяемую Р. Декартом гипотезу о существовании эфирных вихрей).

Эволюцию астрономии в Новое время стимулировало развитие других видов деятельности. Так, расширение мореплавания в XVII-XVIII вв. нуждалось во все более совершенных астрономических данных - прежде всего для точного определения долготы и широты. Астрономия становится делом государственной важности, государства финансируют астрономические исследования, вследствие чего практическая астрономия превращается в систематическое занятие принимаемых на службу специалистов-астрономов. Они вели кропотливую и рутинную постоянную работу, заключавшуюся, с одной стороны, в наблюдениях за звездным небом, с другой - в настойчивой борьбе за все более высокую точность наблюдений и измерений, для чего постоянно усовершенствовали научные методы и свои инструменты. Для решения отдельных и общих проблем силами Европейских государств в это время организуются специальные экспедиции астрономов в разные части света. Государственная поддержка чрезвычайно помогла развитию астрономии.

1.3 Система Ньютона

Лагранж называл Ньютона не только величайшим, но и самым счастливым гением: «Систему мира можно установить только один раз». Счастье состояло в том, что, по мнению Лагранжа, система Ньютона была единственно верной и составляла вечную, непоколебимую истину.

Вселенная, по Ньютону, – это мир отдельных тел (вещей), состоящих из частиц-корпускул. Корпускулы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, обладают массой и весом, поэтому и состоящие из них тела также обладают массой и весом. Свет Ньютон также представлял потоком корпускул. Тела пребывают в трехмерном пространстве, которое описывается евклидовой геометрией, оно постоянно и пребывает в покое. Тела могут перемещаться в пространстве по непрерывным траекториям. Их движение описывается законами механики и происходит во времени. Пространство и время являются основными (фундаментальными) категориями физики.

Центральное место в механике Ньютона занимают три закона движения и закон тяготения, которые считались приложимыми как к движению земных тел, так и к движению небесных тел.

Первый закон движения (закон инерции) гласит: всякое тело (материальная точка) пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Системы, в которых выполняется закон инерции и которые находятся в покое или движутся равномерно и прямолинейно, называются инерциальными. Второй закон механики гласит: произведение массы тела на его ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы.

Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противоположное противодействие.

Известный закон тяготения звучит так: всякое тело притягивает любое другое тело с силой, пропорциональной массам этих тел и квадрату расстояния между ними, а принцип относительности определяет, что все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах; нет какой-то привилегированной системы отсчета (вроде центра Земли в физике Аристотеля, куда стремится вся материя).

Ньютоновские представления о пространстве и времени прочно утвердились в науке Нового времени, а его теория классической механики стала образцом научной теории. Она способствовала как формированию новых представлений о науке и научном знании в целом, так и разработке новых разделов физики: гидродинамики, теории упругости, теории тепла, молекулярно-кинетической теории и др. Наука в этот период начинает пониматься как деятельность по получению нового знания о явлениях природного мира, необходимого для решения проблем социально-политического и производственного характера. А научное знание начинает пониматься по аналогии с математическим как ясное, непротиворечивое, доказательное, математически изображаемое истинное знание. Истина только одна, потому что научная истина открывает божественный закон, управляющий мирозданьем.

Неклассическая наука.

2.1 Возникновение неклассической науки

На рубеже ХIХ-ХХ вв. происходит новая революция в науке, в результате которой разрушились существовавшие метафизические представления о строении, свойствах, закономерностях материи (взгляды на атомы как неизменные, неделимые частицы, на механическую массу, на пространство и время, на движение и его формы и т.д.) и появился новый тип науки – неклассические науки. Для неклассического типа рациональности характерен учет того, что объект познания, а, следовательно, и знание о нем, зависят от субъекта, от используемых им средств и процедур.

В ХХ веке в неклассической науке появилось осознание зависимости всех наших знаний от познающего человека – субъекта. Например, физики признают, что в квантовой механике получается знание не о частице, как она существует сама по себе, а о том ее состоянии, в которое она пришла в результате воздействия на нее прибора в процессе эксперимента. И ХХ в. обнаружил разрушительный потенциал науки, заставил задуматься о том, как привести в соответствие развитие науки и гуманистические идеалы, как сделать их органической частью познавательной и практической деятельности человека.

Большое значение для подготовки научной революции на рубеже веков имели исследования процессов излучения тел, развернувшиеся в начале XIX в. Они привели к формированию в 1900 г. квантовой гипотезы М. Планка, согласно которой тела излучают энергию не непрерывно, как должно было быть, если исходить из того, что энергия – характеристика поля, а поле непрерывно. Излучение происходит определенными порциями (квантами), из чего следует, что частицы энергии ведут себя и как волны (они излучаются как волны), и как частицы (потому что они дискретны - прерывны).

Дискретный характер излучения также не укладывался в классическую физику. Все попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в эфире выявили свою несостоятельность, следствием чего и был вывод о том, что поведение формы материи в виде электромагнитного поля не укладываются в рамки законов механики.

В конце XIX в., помимо открытий в области электричества и магнетизма, был сделан еще целый ряд открытий, которые послужили причиной научной революции на рубеже XIX и XX столетий: открытие рентгеновских лучей (1895, В. Рентген), электрона (1895, Дж. Томсон) и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности (1896, А. Беккерель), фотоэффекта и его законов и др.

Таким образом, если до XIX в. физика была в основном физикой вещества и рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы, обладающих конечной массой покоя, между которыми действуют силы, направленные по прямым и зависимые от расстояний между телами, то в XIX в. появились физические теории, в которых силы зависят не только от расстояний, но и от скоростей, и притом не направлены по прямым. Распространение сил происходит не мгновенно (как у Ньютона), а с конечной скоростью.

2.2 Революция в физике на рубеже XIX и XX столетий

Открытия на рубеже XIX-XX столетий показали, что вещество обладает качествами, которыми не может обладать, если классическая механика точно объясняет мир. Оно, как выяснилось из изучения электрона, может не иметь точно определяемой массы, что разрушает классические законы сохранения массы и движения. Масса в классической физике понималась как основной признак материальности тел, поэтому физики забили тревогу: «Материя исчезла!». Энергия, как показывала радиоактивность, может браться неизвестно откуда, в нарушение классического закона сохранения энергии.

Попытки снять названные противоречия привели к созданию новых физических теорий, заставивших пересмотреть представления о пространстве, времени и веществе, характерные для классической физики. Это были две концепции - теория квантов и теория относительности, которые стали фундаментом для новой физики.

2.3 Квантовая теория

Квантовая теория кардинально изменила классические представления о веществе. В классической физике Ньютона мир понимался как состоящий из материи, а материя – из отдельных частиц, корпускул. К концу XIX в. был открыт еще один вид материи – поле. Оба вида материи, считалось, подчиняются законам. Это понимание устройства мира закрепилось в детерминистском принципе, сформулированном в XIX в. французским физиком Пьером Лапласом. Суть этого принципа можно изложить следующим образом: во Вселенной все явления связаны причинно-следственной связью, которая имеет законосообразный характер. Законы позволяют по ее состоянию в определенный момент точно рассчитать, как будет развиваться Вселенная и каким будет ее состояние в следующий интересующий нас момент.

Исследовавший тепловые излучения М. Планк установил, что в процессах излучения энергия может быть отдана и поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь небольшими неделимыми порциями, которые исследователь назвал квантами действия. Величина энергии кванта определяется по формуле Е = hy, где h – определенная константа (постоянная Планка), а y – частота света. Формула была опубликована 14 декабря 1900 г., который стали считать днем рождения квантовой теории и всей атомной физики, потому что понятие кванта позволило создать модель атомной оболочки и атомного ядра.

Вклад датского физика Нильса Бора в развитие квантовой теории состоял в том, что он принимает теорию квантов и на ее основе в 1913 г. создает теорию атома. Она основана на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: 1) в каждом атоме существуют несколько стационарных состояний, в которых электрон может существовать, не излучая; 2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. Она стала первым шагом к идее о «волнах материи», выдвинутой французским физиком Луи де Бройлем.

Де Бройль утверждал, что волновые свойства наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Каждой волне соответствует электромагнитная частица, а любой частице – волна. Волновая механика де Бройля (1924 г.) объясняла, почему электрон может вести себя то как частица, то как волна. Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение волновой механики (уравнение Шрёдингера), позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Уравнение содержало так называемую волновую функцию y (пси-функцию), описывающую волну (в абстрактном, конфигурационном пространстве). Пси-функция определяла плотность вероятности нахождения частицы в данной точке. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности. С помощью пси-функции вычисляется вероятность присутствия электрона в определенной области пространства.

Иначе говоря, в квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезала.

Экспериментальными доказательствами волновой теории вещества стали опыты по обнаружению дифракции электронов, нейтронов, атомов и молекул.

Квантовая механика включает также сформулированный в 1926 г. немецким физиком Вернером Гейзенберг принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс движущейся частицы не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы, согласно классической механике, важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. Но законы классической механики для микромира неприменимы, поэтому, чем точнее измеряется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются измерения скорости.

Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип дополнительности, который Н. Бор сформулировал так: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Он объясняет, почему нельзя одновременно измерить координаты и импульс движущейся частицы: как волны они как бы «размазаны» в пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероятности их обнаружения в определенном пространстве.

Квантовая теория изменила классические представления о структуре материи. Для классического понимания материальной частицы было характерно ее выделение из окружающей среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса (мера движения, Ft), характеризующаяся ее квантовым состоянием, представляющим собой комбинацию положения и скорости. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от такого представления движения. Классический (динамический) детерминизм уступил место вероятностному (статистическому). Имеется в виду тот факт, что квантовая теория предсказывает результаты измерения движения частиц не однозначно, но ряд результатов и их вероятность. Скажем, если мы выполняем одно и то же измерение для многих одинаковых систем с одинаковыми начальными условиями (к примеру, измеряем скорость движения молекул одного и того же газа при нагревании на одну и ту же температуру), мы обнаружим, что у нас молекулы будут двигаться с разными скоростями, и мы можем предсказать, какая часть из них будет двигаться с одной скоростью, какая – с другой, а какая – с третьей. Квантовая механика ввела, таким образом в науку элемент непредсказуемости, случайности и нанесла сокрушительный удар по лапласовскому детерминизму.

Важной составной частью квантовой теории является квантовая статистика или статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. Квантовая статистика отказывается от представления различимости частиц и рассматривает их как тождественные. Она не ставит себе целью описание индивидуальных событий, происходящих в пространстве и времени, как это делала классическая физика, а описывает поведение систем частиц посредством статистического метода с его волнами вероятности, а не посредством законов классической физики.

Появление квантовой теории привело к созданию новой физической картины мира. Благодаря этому физика из науки, которая изучает и объясняет механизм явлений, превратилась в науку, разрабатывающую методы искусственного воспроизведения физических процессов, и стала лидером современного естествознания.

2.4 Теория относительности

В 1905 г. немецкий физик А. Эйнштейн, тогда еще служащий Швейцарского патентного бюро, опубликовал основные положения своей специальной теории относительности (СТО), которую развил в 1906 г. Теория относительности принципиально по-новому подошла к изучению природы: ее предметом является не абсолютное вещество, являющееся основой всего существующего, а взаимосвязи между различными наблюдаемыми явлениями - событиями. Событие – это нечто происходящее в определенной точке пространства и в определенный момент времени.

Событие характеризуется не тремя, а четырьмя координатами, образующими четырехмерное пространство-время, или в терминологии Эйнштейна, «пространственно-временной континуум».

Пространственно-временной континуум также постоянен для каждой системы, поэтому в нем чем больше длина движущегося тела относительно его длины в неподвижном состоянии, тем быстрее движется время в системе этого тела.

Основные положения СТО были получены на основании опыта, поставленного Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в 1887 г. для проверки гипотезы эфира, в котором якобы движется Земля и распространяется свет. Они сравнивали скорости света в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Согласно механике Ньютона они должны были быть разными для света, который распространяется в направлении, противоположном вращению Земли, и для света, который распространяется перпендикулярно ее вращению. Опыт показал, что обе скорости одинаковы, то есть ньютоновский принцип относительности нарушается. Кроме того, в названных опытах не был обнаружен эфир.

Из двух принципов — постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математически следуют все положения специальной теории относительности (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся. Она рассчитывается по формуле:

где l `- длина тела в движущейся системе со скоростью V по отношению к неподвижной системе; l - длина тела в покоящейся системе.

Эйнштейн проанализировал одно из основных для классической механики понятие одновременности и показал его относительность. В классической механике понятие одновременности имеет абсолютный смысл. Это значит, что два события, одновременные в одной инерциальной системе, одновременны также во всех других инерциальных системах, с какими бы постоянными скоростями они ни двигались относительно первой. В теории относительности Эйнштейна одновременность событий нарушается в некоторой системе, если наблюдатель находится в другой системе, и либо его система, либо наблюдаемая система движутся с околосветовой скоростью. В новой физике понятию абсолютной одновременности, а вместе с ним понятию абсолютного и равномерно текущего для всех инерциальных систем времени пришел конец. Время стало пониматься как относительная характеристика, зависящая от характера движения материальных систем. Это разрушало понятие абсолютного времени. А при условии отказа от понятия абсолютного времени оказывалось, что нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже об этом сказал и известный французский физик Анри Пуанкаре). Оказалось проще представлять, что свет распространяется в пустом пространстве, что электромагнитные поля могут существовать в пустом пространстве. Теоретическая относительность пространства и времени была подтверждена экспериментально. В космических лучах в верхних слоях земной атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезоны (пионы). Собственное время жизни пионов – 10 -8 с. За это время они могут пройти не более 300 см, и не должны бы долетать до земли. Но приборы их регистрируют, то есть они пролетают 30 км, в 10 тыс. раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт тем, что в системе отсчета Земли (где его скорость стремиться к С) время жизни пиона намного больше, и за это время он может долететь до земли.

Из постоянства скорости света вытекают два следствия. Первое - закон эквивалентности массы и энергии (Е = mc2, где Е - энергия, m - масса, с - скорость света). Философский смысл этого закона состоит в том, что нет непроходимой границы между двумя физическими характеристиками: массой (характеристикой вещества) и энергией (характеристикой движения), а, следовательно, и границы между веществом и движением: свойства вещества определяются скоростью его движения. То, что при одних скоростях существует как привычное нам вещество, при других скоростях может существовать иначе – как энергия.

Вторым следствием из постоянства скорости света является закон, по которому ничто не может двигаться быстрее света.