Физическая картина мира и ее структура

13

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: Концепция современного естествознания

На тему: Физическая картина мира и ее структура

Тула

2008 год.

Содержание

Введение

1. Физическая картина мира

1.1 Механическая картина мира

1.2 Электромагнитная картина мира

1.3 Квантово-полевая картина мира

2. Соотношение динамических и статистических законов

3. Принципы современной физики

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Познавая окружающий мир, человек создает в своем сознании его определенную модель - картину мира. На каждом этапе своего развития человечество по-разному представляет мир, в котором оно живет. Так, существовали: мифологическая, религиозная, научная и другие картины мира. Естественно-научная картина мира представляет собой систематизированное и достоверное знание о природе, исторически сформировавшееся в ходе развития естествознания. В эту картину мира входят знания, полученные из всех естественных наук, их фундаментальных идей и теорий. В то же время история науки свидетельствует, что большую часть содержания естествознания составляют преимущественно физические знания. Степень разработанности физики была настолько велика, что она смогла создать собственную картину мира.

Поэтому тема данной контрольной работы: «Физическая картина мира и ее структура» довольно актуальна.

Цель данной контрольной работы - рассмотрение физической картины мира и ее структуры.

Для раскрытия темы, необходимо решить следующие задачи:

- установить сущность физической картины мира

- рассмотреть ее структуру

В заключении контрольной работы сделаны выводы.

1. Физическая картина мира

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 познание, 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 представителей 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 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.

1.1 Механическая картина мира

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, абсолютно твердых 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 не обладали никакой качественной спецификой. Человек рассматривался как природное тело в ряду других тел. По сути дела, классическое естествознание не стремилось постичь человека.

Однако развитие науки раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея - механизм. 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.

1.2 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 системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Это -- закон Ш. Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона; 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 материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Но I нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как I 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.

Кардинально изменились представления о материи. Согласно электромагнитной картине мира материя существует в виде вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Электромагнитная картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем отточки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

Случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее прогресс был налицо: в элект-ромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления о мире. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она 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.

1.3 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 элементарных 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 нединамическим, 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. Ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь конечного предела ее делимости.

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 сливаются 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.

Также 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 человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

2. Соотношение динамических и статистических законов

В физике существует два типа физических законов (теорий): динамические и статистические.

Динамический закон -- это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Динамическая теория - это физическая теория, представляющая совокупность динамических законов. Исторически первой и наиболее простой теорией такого рода явилась классическая механика Ньютона.

Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме динамических, не существует (механический детерминизм). Это было связано с установкой классической науки на механистичность и метафизичность, со стремлением построить любые научные теории по образцу механики Ньютона.

В середине XIX в. в физике были сформулированы законы, предсказания которых являются вероятными. Они получили название статистических законов. Так, в 1859 г. была доказана несостоятельность позиции механического детерминизма: Максвелл при построении статистической механики использовал законы нового типа и ввел в физику понятие вероятности. Это понятие было выработано ранее математикой при анализе случайных явлений.

Максвеллу удалось показать, что случайное поведение отдельных молекул подчинено определенному статистическому (вероятностному) закону.

Статистические законы, в отличие от динамических, отражают связь статистических распределений физических величин. Но это такой же однозначный результат, как и в динамических теориях. Ведь статистические теории, как и динамические, отображают необходимые связи в природе, а они не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний. Различается только способ фиксации этих состояний.

Сразу же после появления в физике понятия статистического закона возникла проблема существования статистических закономерностей и их соотношения с динамическими законами и закономерностями.

С развитием науки подход к этой проблеме и даже ее постановка менялись. Первоначально никаких сомнений в преимуществе динамических законов перед статистическими не было.

Последние считались временной мерой, которой можно пользоваться до открытия соответствующих динамических законов.

К началу XX в. стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических теорий в описании физических явлений. Появлялось все больше статистических законов, а все теоретические расчеты, проведенные в рамках них, полностью подтверждались экспериментальными данными. Результатом стало выдвижение теории равноправия динамических и статистических законов: они рассматривались как равноправные, но относящиеся к различным явлениям. Считалось, что каждый тип закона имеет свою сферу применения и они взаимно дополняют друг друга. Обычно говорили, что индивидуальные объекты, простейшие формы движения должны описываться с помощью динамических законов, а большая совокупность этих же объектов, высшие, более сложные формы движения -- статистическими законами.

Ситуация в науке кардинально изменилась после возникновения и развития квантовой теории. Она привела к пересмотру всех представлений о роли динамических и статистических законов в отображении закономерностей природы. Был обнаружен статистический характер поведения отдельных элементарных частиц, но никаких динамических законов в квантовой механике открыть не удалось. Таким образом, сегодня большинство ученых рассматривают статистические законы как наиболее глубокую, общую форму описания всех физических закономерностей.

После создания квантовой механики можно утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего нас мира, а статистические -- более полно отражают объективные связи в природе, являясь более высокой ступенью познания. Только последние способны отразить случайность, вероятность, играющие огромную роль в окружающем нас мире.

3. Принципы современной физики

Важной частью современной физической картины мира являются четыре принципа современной физики -- наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.

1. Принцип симметрии. Симметрия-- однородность, пропорциональность, гармония каких-либо материальных объектов.

Симметричны мячи, многие здания и сооружения, произведения искусства, некоторые человеческие действия. Симметрию можно обнаружить в живописи, музыке, поэзии, танце. В изобилии она встречается в природе: снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т. д.

Названные типы симметрии связаны с представлениями о структуре предметов, которая не меняется при совершении некоторых преобразований. Долгое время это были единственные симметрии, известные в науке. Но постепенно было осознано, что они могут быть не только наглядными, связанными с геометрическими операциями. Есть целый ряд симметрии, связанных с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов, но не фиксируемых в наблюдениях (они становятся заметны лишь в уравнениях, описывающих природные процессы). Поиск новых симметрии стал главным средством, помогающим физику продвигаться к более глубокому пониманию мира. С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность -- это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.

Есть целый ряд симметрии, действующих в микромире. Они описывают разные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов, как, например, закон сохранения электрического заряда.

2. Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей.

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. X. Д. Бором.

Человек -- существо макроскопическое, поэтому его органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми человек пользуется для описания предметов и явлений окружающего мира, макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире, но применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.

Но других понятий у человека нет. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность своего восприятия и представления об объектах микромира, ему приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, которые с точки зрения классической науки взаимно исключают друг друга. Это -- частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.

Частным выражением принципа дополнительности является сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. соотношение неопределенностей, которое иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.

Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.

3. Принцип суперпозиции (наложения) -- это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности при отсутствии влияния друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике этот принцип неуниверсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции -- фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т. е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из этих состояний.

4. Принцип соответствия сформулирован Н. Бором в 1923 г.,

когда физики столкнулись с тем, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились новые теории (например, теория относительности Эйнштейна), описывающие ту же область действительности.

Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку последняя уже оправдала себя в своей области.

Так, теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.

Каждая физическая теория - ступень познания - является относительной истиной. Смена физических теорий - это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.

Заключение

Физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познание, соответствующие определенному историческому этапу развития физики.

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

В физике существует два типа физических законов (теорий): динамические и статистические.

Важной частью современной физической картины мира являются четыре принципа современной физики -- наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи: принцип симметрии, принцип дополнительности и соотношения неопределенностей, принцип суперпозиции (наложения), принцип соответствия.

Теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.

Каждая физическая теория - ступень познания - является относительной истиной. Смена физических теорий - это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира.

Цель данной контрольной работы достигнута, поставленные перед нами задачи решены.

Литература

1 . Воронов В.К., Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания. М., 1999.

2. Концепции современного естествознания: учеб.пособие / А.П. Садохин. - 2-е изд., испр. - Москва: Омега-Л, 2007 - 240с.

3. Мякишев Г.Я. Динамические и статистические закономерности в физике. М., 1973.

4. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

5. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М., 1985.