Філософські проблеми фізики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

ЖИТОМИРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА

Фізико-математичний факультет

Кафедра філософії

Курсова робота

Філософські проблеми фізики

Виконав: студент VІ курсу 63 групи

заочної форми навчання

Прокопчук Микола Віталійович

Науковий керівник: кандидат

філософських наук, професор

Герасимчук Андрій Андрійович

Житомир 2011

Зміст

Вступ

I. Філософські проблеми фізики

1.1 Фізика як наука

1.2 Філософські проблеми розвитку фізичної картини світу

1.3 Електродинаміка

1.4 Квантова механіка. Історичний відступ

1.5 Сучасна квантова механіка

1.6 Категорія стану у фізиці

1.7 Механічна, електромагнітна і квантово-релятивістська картина світу

1.8 Метафізика теорії відносності

II. Квантова механіка

Висновки

Література

Вступ

В системі сучасної техногенної цивілізації наука займає одне з провідних місць. Наукові знання і досягнення виступають сьогодні як головна сила економічного і соціального розвитку людства. Сучасна наукова картина світу постійно збагачується уявленнями про світ, виробленими в рамках різних областей наукового знання. Одночасно наукова картина світу функціонує як особлива дослідницька програма, яка направляє постановку завдань емпіричного і теоретичного пошуку і здійснює вибір засобів їх вирішення. У формуванні загальної наукової картини світу провідну роль відіграють науки про природу, що утворюють природно-наукову картину світу.

Природно-наукова картина світу являє систему найважливіших понять, законів, принципів, що лежать в основі розуміння навколишньої природи. У формуванні природничо-наукової картини світу визначальне значення набувають фундаментальні закони, принципи та теорії найбільш розвинених галузей та дисциплін природознавства. Важливу роль у побудові цілісної картини природи відіграють і філософські ідеї про устрій всесвіту, його зміни і розвитку.

Фундаментальні теорії природознавства в своєму виникненні, обґрунтуванні та функціонуванні багато в чому спираються на певні філософські ідеї. У той же час багато питань сучасного природознавства носять філософський характер. Актуальним завданням сучасної філософії є аналіз філософських проблем фундаментальних наукових теорій, який необхідний для створення цілісної наукової картини світу, постановки і вироблення варіантів вирішення найважливіших онтологічних, гносеологічних, аксіологічних проблем наукового знання, прогнозування подальшого розвитку людства.

Майбутній спеціаліст будь-якого напряму підготовки - гуманітарного, природничо-наукового, технічного, так чи інакше, стикається з новою матеріальною базою та новими науковими технологіями, тому знання фундаментальних проблем сучасної науки є запорукою успішної професійної діяльності.

I. Філософські проблеми фізики

Тема «Філософські проблеми фізики» досить складна і змістовна. При її вивченні доцільно звернутися до робіт, спеціально присвяченим філософським проблемам фізичного знання. Це роботи В.С. Готта «Філософські проблеми фізики», В. Гейзенберга «Фізика і філософія. Частина і ціле», Р. Карнапа «Філософські підстави фізики». Також рекомендую звернутися до матеріалу фізичного енциклопедичного словника.

У тексті цього розділу дано гранично загальний опис основних філософських питань фізичного знання, що виділяються в спеціальній науковій та навчальній літературі, яке допоможе вам зорієнтуватися у матеріалі цієї теми. Для зручності вивчення матеріал розділу поданий відповідно до логіки його викладу в більшості підручників з філософських проблем природознавства.

Підрядкові виноски із зазначенням посилань на спеціальну літературу допоможуть вам швидко знайти необхідну для розуміння матеріалу джерело.

1.1 Фізика як наука

Фізика займає особливе місце в науковій картині світу. Розвиток природознавства довгий час визначалося змістом фізичної картини світу. Ідеї панівної фізичної картини світу виступали в якості загальнонаукової парадигми і визначали характер наукової картини світу в цілому. У рамках фізики сформувалася більшість методів наукового пізнання.

Фізика - фундаментальна наука. В історії природознавства на цей статус претендували фізика, хімія та біологія. Обґрунтованість даних наук припускала, що їх положення не виводяться з будь-яких інших дисциплін. У сучасній науці статус фундаментальності хімії та біології в тому значенні, яке нами наведено, втрачений. Так, в даний час основні особливості хімії пояснюються на базі квантової фізики. Положення сучасної біології теж неоднозначно. У ХХ ст. відбулися радикальні зміни в підставах даної науки: відкриття подвійної спіралі ДНК, створення молекулярної генетики, успіхи біохімії та генної інженерії, розвиток нерівноважної термодинаміки і синергетики - все це дозволяє розкривати фізико-хімічну основу багатьох біологічних феноменів. Таким чином, фізичне знання має особливу фундаментальністю, яку можна назвати епістемологічної.

1.2 Філософські проблеми розвитку фізичної картини світу

Фізична картина світу - це фізична модель природи, що включає в себе фундаментальні фізичні та філософські ідеї, фізичні теорії, найбільш загальні поняття, принципи і методи пізнання, що відповідають певному етапу розвитку фізики. Фізична картина світу узагальнює всі раніше отримані знання про природу, а також вводить у фізику нові філософські ідеї і обумовлені ними поняття, принципи і гіпотези, яких до цього не було і які докорінно змінюють основи фізичного теоретичного знання.

Постійний розвиток і заміна одних картин світу іншими, більш адекватно відображають структуру і властивості матерії, є процес розвитку самої фізичної картини світу. Основою для виділення окремих її типів служить якісна зміна фундаментальних ідей, що є базою для фізичної теорії і наших уявлень про структуру матерії і форми її існування. Зі зміною фізичної картини світу починається новий етап в розвитку фізики з іншою системою вихідних понять, принципів, гіпотез і стилю мислення [2].

У розвитку фізичного знання виділяють механічну, електромагнітну і квантово-релятивістську картини світу.

Механічна картина світу склалася при переході від епохи Відродження до епохи Нового часу. Приблизно з сорокових років XVI століття до сорокових років XVII століття відбувався складний революційний процес заміни середньовічного світогляду і науки новим світоглядом і нової, що базується на досвіді та практиці наукою. Була проведена велика робота по обґрунтуванню та зміцненню геліоцентричної системи світу (Н. Коперник, Дж. Бруно, І. Кеплер, Г. Галілей), критиці перипатетическої методології та науки, виробленню методологічних основ нової науки (Ф. Бекон, Г. Галілей, Р. Декарт). Успіхи експериментального і математичного методу позначилися, перш за все, в механіці. Становлення механічної картини світу пов'язане з науковою діяльністю Г. Галілея, І. Кеплера, Х. Гюйгенса. Основоположна роль у формуванні класичної механіки, основних її законів і принципів належить І. Ньютону [3].

Найважливішу роль у побудові механічної картини світу зіграли такі питання, як принцип матеріальної єдності світу, виключавший поділ світу на земний і небесний, характерне для європейського Середньовіччя, принцип причинності і законовідповідності природних процесів. Розвиток експериментального природознавства призводить до появи принципу експериментального обґрунтування знання, відмови від споглядальності установці на з'єднання експериментального дослідження природи з описом її законів мовою математики, найбільш повно даний принцип виражений в працях Г. Галілея.

Загальні онтологічні положення знайшли своє відображення в принципах більш приватного порядку. Так, принцип єдності світу виявився тісно пов'язаним з концепцією абсолютного простору і часу і їх однорідності [4].

В основі механістичної картини світу лежать наступні положення: світ складається з неподільних корпускул (корпускулярна теорія будови матерії); взаємодія корпускул здійснюється як миттєва передача сил по прямій (принцип далекодії); тіла, утворені з корпускул, переміщуються в абсолютному просторі з плином абсолютного часу; всі механічні процеси підкоряються принципу суворого (жорсткого) детермінізму [5], суть якого полягає у визнанні можливості точного та однозначного визначення стану механічної системи її попереднім станом.

Для механічної картини світу в цілому і для класичної механіки, що лежить в її основі, характерна симетрія процесів у часі, яка виражається в його оборотності. Уявлення про час як про просту геометричному параметрі руху передбачало, що всі стани механічного руху тіл по відношенню до нього виявляються в принципі однаковими, оскільки час вважається оборотним. Таке ставлення до фізичної трактуванні часу зберігалося аж до розвитку нерівноважної термодинаміки.

На основі механістичної картини світу в XVIII - початку XIX ст. були розроблені земна, небесна і молекулярна механіка. Механістичне уявлення про світ розглядалося в зазначений період як універсального, в результаті чого багато вчених намагалися звести все різноманіття явищ природи до механічної формі руху матерії. Така позиція отримала назву «механічний матеріалізм» (механіцизм). Подальший розвиток фізики показало неспроможність методології механіцизму. Особливо виразно це виявилося при спробах опису за допомогою законів механіки теплових, електричних і магнітних явищ. Механічна картина світу панувала в науці до появи в останній чверті XIX в. електродинаміки.

1.3 Електродинаміка

У XIX в. до числа основних властивостей, що описують тіла, поряд із масою, стали додавати таку характеристику, як електричний заряд. Англійський фізик М. Фарадей дослідним шляхом показав пряму динамічний зв'язок між електрикою і магнетизмом. Об'єднавши електрику і магнетизм, М. Фарадей ввів у науку поняття «електромагнітне поле». Важливу роль при цьому відіграла філософська переконання вченого в єдності матерії і сили. Його експериментальні дослідження підтвердили, що електрика і магнетизм передаються в просторі не миттєво по прямій, а по лініях різної конфігурації від точки до точки (принцип блізькодії). На думку Фарадея, сили не можуть існувати у відриві від матерії, тому лінії сил необхідно пов'язати з матерією і розглядати її як особливу субстанцію. Це переконання лягло в основу концепції поля.

На основі дослідів М. Фарадея англійський фізик Д. Максвелл [6] створює теорію єдиного електромагнітного поля. Ця теорія є узагальнення всіх емпіричних залежностей, встановлених Ерстед, Фарадеєм та іншими вченими при дослідженні електричних і магнітних явищ. Відповідно до електромагнітної теорією світ представляє єдину електродинамічну систему, побудовану з електрично заряджених частинок, що взаємодіють за допомогою електромагнітного поля. Найважливішими поняттями цієї теорії є: заряд, який може бути як позитивним, так і негативним; напруженість поля - сила, яка діє на тіло, що несе одиничний заряд, якщо воно знаходиться в даній точці.

А. Ейнштейн порівнює імена Г. Галілео та І. Ньютона в механіці з іменами Фарадея і Максвелла в науці про електрику. Дійсно аналогія тут цілком доречна. Галілей започаткував механіці, Ньютон її завершив. Обидва вони відправлялися від системи М. Коперника, шукаючи її фізичне обґрунтування, яке, зрештою, і було знайдено Ньютоном. М. Фарадей по-новому підійшов до вивчення електрики і магнітних явищ, вказавши на роль середовища і ввівши концепцію поля, що описується їм за допомогою силових ліній. Максвелл надав ідеям математичну завершеність, ввів точний термін «електромагнітне поле», якого ще не було у Фарадея, сформулював математичні закони цього поля. Галілей і Ньютон заклали основи механістичної картини світу, Фарадей і Максвелл основи електромагнітної картини світу.

Нові фізичні та філософські погляди на матерію, простір, час і сили, висунуті в рамках електродинаміки, багато в чому змінили панувала механічну картину світу. Електромагнітна картина світу базувалася на ідеях безперервності матерії, матеріального електричного поля, нерозривності матерії і руху, зв'язку простору і часу як між собою, так і з рухомою матерією. Однак подальший її розвиток показало, що вона має відносний характер. Тому на зміну їй прийшла нова квантово-польова картина світу, що об'єднала в собі дискретність механічної картини світу і безперервність електромагнітної картини світу [7].

Формуванню квантово-польової картини світу передувало становлення релятивістської картини світу, заснованої на загальній та спеціальної теорії відносності.

Поява релятивістської картини світу тісно пов'язане з негативним досвідом Майкельсона-Морлі з виявлення ефіру. Аж до кінця XIX ст. ефір трактувався як безперервна механічна середовище, що заповнює весь простір. Збурення цього середовища розглядалися як електромагнітне поле. З ефіром асоціювалося поняття виділеної системи відліку, тісно пов'язаної з ньютоновским поняттям абсолютного простору.

Досвід Майкельсона-Морлі не підтвердив концепцію ефіру, що призвело до появи та утвердження теорії відносності, в рамках якої формуються уявлення про простір і час як про єдиний чотиривимірному просторово-часовому континуумі. У спеціальній теорії відносності конкретні властивості простору й часу (спостережувані відстані і проміжки часу) залежать від вибору інерціальної системи відліку, а в загальній теорії відносності - і від розподілу мас речовини. Докладно з теорією відносності А. Ейнштейна ви можете ознайомитися у відповідних розділах літератури, зазначеної в кінці даного розділу, а також у книзі П.С. Кудрявцева «Курс історії фізики» [8].

Основні результати спеціальної теорії відносності наступні:

- Всяке рух може описуватися тільки по відношенню до інших тіл, які можуть прийматися за системи відліку, пов'язані з певною системою координат;

- Простір і час тісно взаємозалежні один з одним бо лише разом вони визначають положення рухомого тіла. Саме тому час в теорії відносності виступає як четверта координата для опису руху, хоч і відмінна від просторових координат;

- Спеціальна теорія відносності показала, що коваріантності, або однаковість форми, законів механіки для всіх інерційних, або галілеєвих, систем відліку зберігає свою силу і для законів електродинаміки, але тільки для цього замість перетворень Галілея використовуються перетворення Лоренца;

- При узагальненні принципу відносності і поширенні його на електромагнітні процеси постулюється сталість швидкості світла, яке ніяк не враховується в механіці [9].

Загальна теорія відносності відмовляється від такого обмеження, так само як і від вимоги розглядати лише інерціальні системи відліку, як це робить спеціальна теорія. Завдяки такому глибокому узагальнення вона приходить до висновку - всі системи відліку є рівноцінними для опису законів природи.

З філософської точки зору найбільш значним результатом загальної теорії відносності є встановлення залежності просторово-часових властивостей навколишнього світу від розташування руху тяжіють мас.

1.4 Квантова механіка. Історичний відступ

Квантова механіка сформувалася при вивченні властивостей об'єктів мікросвіту - атомів і складових його частинок. Спроби вчених описати і пояснити властивості мікрочастинок матерії за допомогою понять і принципів класичної фізики виявилися неспроможні. Пошуки нових понять і методів призвели до виникнення нової механіки, яка спочатку отримала назву хвильової, на противагу звичайній механіці, що розглядає фізичні об'єкти як складаються з корпускул. Пізніше з введенням М. Планком поняття кванта і свідомістю Н. Бором квантової моделі атома за механікою мікрооб'єктів затвердилася назва квантової. Її становлення обумовлене цілим рядом наукових відкриттів, які сталися на рубежі XIX-ХХ ст., І заклали основи дослідження мікросвіту.

Посилаючись на навчальний посібник В.П. Кохановського [10], наведемо коротку хронологію становлення основних ідей нової картини світу.

У 1896 р. французький фізик А. Беккерель (1852-1908) відкрив явище самовільного випромінювання уранової солі, природа якого не була зрозуміла. У пошуках елементів, що випускають подібні «Беккерелеві промені», П'єр Кюрі (1859-1906) і Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) в 1898 р. відкривають полоній і радій, а саме явище називають радіоактивністю.

У 1897 р. англійський фізик Дж. Томсон (1856-1940) відкриває складову частину атома - електрон, створює першу, але дуже недовго проіснувала модель атома.

У 1900 р. німецький фізик М. Планк (1858-1947) запропонував новий (абсолютно не відповідає класичним уявленням) підхід: розглядати енергію електромагнітного випромінювання величину дискретну, яка може передаватися тільки окремими, хоча і дуже невеликими порціями - квантами. На основі цієї геніальної здогадки вчений не тільки отримав рівняння теплового випромінювання, але вона лягла в основу квантової теорії.

Англійський фізик Е. Резерфорд (1871-1937) експериментально встановлює, що атоми мають ядро, в якому зосереджена вся їх маса, а в 1911 р. створює планетарну модель будови атома, за якою електрони рухаються навколо нерухомого ядра і відповідно до законів класичної електродинаміки безперервно випромінюють електромагнітну енергію. Але йому не вдається пояснити, чому електрони, рухаючись навколо ядра з кільцевих орбітах і безперервно відчуваючи прискорення, отже, випромінюючи весь час кінетичну енергію, не наближаються до ядра і не падають на його поверхню.

Датський фізик Нільс Бор (1885-1962), виходячи з моделі Резерфорда і модифікуючи її, ввів постулати (постулати Бора), які стверджують, що в атомах є стаціонарні орбіти, при русі по яким електрони не випромінюють енергії. Випромінювання енергії відбувається тільки в тих випадках, коли електрони переходять з одного стаціонарної орбіти на іншу. Постулати Бора лягли в основу квантової моделі атома.

Вона отримала назву моделі Резерфорда-Бора.

У 1924 р. французький фізик Луї де Бройль (1892-1987) висунув ідею про двоїсту, корпускулярно-хвильову природу не тільки електромагнітного випромінювання, а й інших мікрочастинок. У 1925 р. швейцарський фізик-теоретик В. Паулі (1900-1958) сформулював принцип заборони: ні в атомі, ні в молекулі не може бути двох електронів, що знаходяться в однаковому стані.

У 1926 р. австрійський фізик-теоретик Е. Шредінгер (1887-1961) вивів основне рівняння хвильової механіки, а в 1927 р. німецький фізик В. Гейзенберг (1901-1976) - принцип невизначеності, який стверджував, що значення координат і імпульсів мікрочастинок не можуть бути названі одночасно і з високим ступенем точності.

У 1929 р. англійський фізик П. Дірак (1902-1984) заклав основи квантової електродинаміки та квантової теорії гравітації, розробив релятивістську теорію руху електрона, на основі якої передбачив (1931) існування позитрона - першої античастинки. Античастинками назвали частинки, подібні свого двійника, але відрізняються від нього електричним зарядом, магнітним моментом і ін. У 1932 р. американський фізик К. Андерсон (р. 1905) відкрив позитрон в космічних променях.

У 1934 р. французькі фізики Ірен (1897-1956) і Фридерик Жоліо-Кюрі (1900-1958) відкрили штучну радіоактивність, а в 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік (1891-1974) - нейтрон.

Квантова механіка одна з найцікавіших областей фізичного знання. Детальніше ознайомитися зі специфікою побудови квантово-механічної картини світу і основними її положеннями ви можете в наведеній в кінці розділу літературі. Найбільш доступно і наочно матеріал по даній картині світу викладено в підручниках Г. І. Рузавіна і В.А. Канке.

1.5 Сучасна квантова механіка

У сучасній фізиці квантові і релятивістські подання синтезовані в єдину картину світу, що дозволяє говорити про квантово-релятивістської картині світу. У ній, точніше в квантовій теорії поля, де об'єднані квантові і релятивістські уявлення, фундаментальними абстракціями є поняття часток і полів, переносників взаємодій. Відповідно до квантово-польової картиною світу будь мікрооб'єкт, володіючи хвильовими і корпускулярними властивостями, не має певної траєкторії руху і не може мати певних координат і імпульсу. У квантовій механіці на відміну від класичної фізики поведінка кожної мікрочастинки підпорядковується не динамічним, а статистичним законам. В рамках нової фізичної картини кардинально змінюється і уявлення про рух, що стає окремим випадком фундаментальних фізичних взаємодій: гравітаційного, електромагнітного, сильного і слабкого. Затверджуються подання про відносність простору і часу, їх залежності від матерії. Відповідно до теорії відносності простір і час утворюють єдиний чотиривимірний просторово-часової континуум, не існує поза матеріальних тіл.

Специфікою квантово-польових уявлень про закономірності і причинності є те, що вони завжди виступають у вигляді статистичних законів, які сприяють більш глибокому рівню пізнання природних закономірностей.

Квантово-релятивістська картина світу ставить перед вченими цілий ряд проблем філософського характеру.

Однією з найважливіших філософських проблем сучасної фізики є проблема онтологічного статусу об'єктів мікросвіту, що розглядаються в теорії. Частинки і поля, що виникають в теорії, передбачаються існуючими в природі, однак, очевидним це існування не є. Як приклад розглянемо віртуальні частинки.

У теорії взаємодії частинок в рамках квантово-релятивістської картини світу взаємодія представляється як обмін проміжними - віртуальними частинками.

Віртуальні частки - це теоретичні об'єкти в сучасної квантової теорії поля, наділені всіма характеристиками, що і реальні частки, але не задовольняють деяким істотним умовам і обмеженням, що накладається на характеристики реальних часток. Віртуальні частки характеризуються «мерехтливим» буттям. Вони не існують таким же чином, як звичайні частинки, і ніколи не спостерігаються актуально. З точки зору філософії їх адекватне розуміння може бути досягнуте за допомогою концепції многомодульного буття, в рамках якої об'єкти можуть розглядатися на двох модулях буття - потенційного і актуальному. При такому підході віртуальні частинки необхідно досліджувати як об'єкти, існування яких віднесено тільки до модулю потенційного буття. Вони ніколи не спостерігаються як реальні, дійсні об'єкти, виступаючи лише на мить з потенційності, ніколи не актуалізуючи повністю [11].

Інший філософською проблемою квантово-релятивістської картини світу є така фундаментальна проблема наукового пізнання, як взаємодія досліджуваного об'єкта і суб'єкта, мікросвіту і макроприбора, за допомогою якого проходить дослідження цього світу. Ця проблема має глибокий філософський характер і пов'язана з проблемою впливу дослідника на досліджувані ним об'єкти в процесі спостереження за допомогою приладів.

Класична фізика теж визнавала, що прилади спостереження та вимірювання роблять свій обурює вплив на досліджувані процеси, але воно було там настільки незначним, що їм можна було знехтувати. У квантовій фізиці становище зовсім інше - прилади та вимірювальні пристрої, що використовуються для вивчення мікрооб'єктів, є макрооб'єктами, відповідно вони вносять такі обурення в рухи мікрочастинок, що в результаті їхні майбутні стану не можна визначити цілком точно і достовірно. Звідси випливає принцип додатковості, що означає, що квантові явища відносні до засобів їх спостереження. Дані, отримані при різних умовах досвіду, повинні розглядатися як взаємодоповнюючі.

Чи не наочність квантових явищ, їх аналітико-символічне зображення обумовлює філософську проблему об'єктного опису реальності мікросвіту.

Відсутність наочності квантових явищ має два трактування. Перша пов'язана з проблемою незалежності мікрореальності або її опису від свідомості спостерігача. Питання ставиться так: що описує квантова механіка - мікросвіт або мікросвіт плюс свідомість спостерігача? [12] Дане питання ставили багато фізиків, які стояли біля витоків квантової теорії (Е. Шредінгер, Ю. Вігнер та ін.) Велика частина фізиків до можливості включення свідомості спостерігача в вимірювальну процедуру відноситься критично, відкидаючи саму цю можливість. При цьому вчені посилаються на можливість заміни спостерігача комп'ютером, в разі чого мова взагалі не може вестися про чиєму-небудь свідомості.

Друге трактування пов'язана з тим, що квантова механіка на відміну від класичної не відкриває явища, які існують до будь-якого акта вимірювання або опису. Ці явища створюються в процесі вимірювання і квантова механіка тільки їх і описує, не «добираючись» до самої реальності. Як зазначає доктор філософських наук Е.А. Мамчур [13], складно дати однозначне трактування відсутності об'єктного опису в квантовій механіці. Багато властивостей мікрооб'єктів, і такі, як спін, заряд, маса не залежать від макроприборов, і, отже, характеризують об'єкт сам по собі. Дійсно залежать від приладу такі властивості мікрооб'єктів, як його положення в просторі і імпульс.

Наступна філософська проблема квантової механіки - проблема об'єктивності як адекватності квантової теорії [14].

Об'єктивність теорії означає її відносну істинність. Якщо об'єктивність в науці перестає досягатися, то починає проявлятися релятивізм [15] або плюралізм, який вітаються критиками класичної раціональності, що характеризують його як основну рису нової некласичної раціональності.

Квантова теорія об'єктивна в тій же мірі, як і класична фізика. І в тій, і в іншої фізичної теорії робиться поправка на її історичну обмеженість і відносність, обумовлені рівнем існуючої системи знань, експериментальними можливостями даного періоду розвитку науки. Таким чином, досягається відносна істинність теорій.

В даний час не існує жодного експериментального факту, який суперечив би квантової механіки. Ця теорія перебуває в повній згоді з усіма наявними експериментальними даними. У класичній і некласичній фізиці різні лише методи досягнення об'єктивності знання. Так, на відміну від класичної фізики, де для отримання інформації про об'єкт досить експериментальної установки одного типу, для отримання інформації про мікрооб'єкті необхідне використання двох типів експериментальних установок: одна - для дослідження хвильових властивостей мікрооб'єктів, а інша - для дослідження корпускулярних властивостей. Ці прилади забезпечують спостерігача двома типами взаємовиключної інформації, які доповнюють один одного. Такі уявлення суперечать здоровому глузду з позицій класичної механіки, але з позицій квантової механіки в них зафіксовано нехай відносне, але істинне знання про мікрореальності. Таким чином, у квантовій механіці змінюються не канони раціональності, а критерії, пов'язані з об'єктом опису.

Фундаментальним завданням сучасної фізики є створення єдиної теорії всіх взаємодій і частинок. Створення такої теорії базується на трьох основних фізичних ідеях: калібрувальної природі всіх фізичних взаємодій, лептони-кваркової структурному рівні в будові речовини і спонтанному порушенні симетрії первинного вакууму [16]. Фізики часто називають єдину теорію всіх взаємодій - «теорія всього».

Спроби створення подібної теорії робляться фізиками-теоретиками з 1970-х рр.. ХХ ст. Так, на основі об'єднання електромагнітного, сильної і слабкої взаємодії робиться спроба створення теорії Великого об'єднання фундаментальних взаємодій.

Підставами для такої теорії є та обставина, що на малих відстанях (10-29 см) і при великій енергії (більш ніж 1014 ГеВ) ці взаємодії описуються однаково. У міру зниження енергії Велике об'єднання спочатку розпадається на сильне і електрослабкої взаємодії. При подальшому зменшенні енергії електрослабкої взаємодія поділяється на електромагнітне і слабке. В даний час дана теорія не знайшла експериментального підтвердження і розробляється теоретично.

У сучасній фізиці існує також теорія, мета якої об'єднати всі чотири фундаментальні взаємодії. Ця теорія будується на базі відкритої в 1970-і рр.. суперсиметрії і теорії суперструн [17].

1.6 Категорія стану у фізиці

Точні визначення базових поняття як класичної, так і сучасної фізики є важкою і навряд чи повністю є здійсненним завданням. Спроби дати такі, хоча не зовсім строгі, погляд їх авторів, що вносять більшу ясність, тлумачення являють собою інтерпретацію фізики. Їх обґрунтування традиційно відносять до філософії фізики (метафізиці).

Базові поняття, як правило, можна редукувати (звести) до поняття «стан» - категорії метафізики. Наприклад, завдання стану фізичної системи означає, що встановлені всі ті фізичні параметри, які характеризують дану систему в цілому, тобто описують результату всіх мислимих фізичних дослідів, поставлених над нею. У зв'язку зі сказаним головне завдання метафізики інтерпретація стану стосовно до відповідних класів систем, для конкретної галузі фізики.

Починаючи з XX ст. фізика розділилася па експериментальну і теоретичну. Експериментальна, теоретична фізика і метафізика знаходяться в складній взаємної залежності. Проілюструємо це на понятті «стан фізичної системи». Експериментатором, які проводять дослідили теорію дослідів над окремою системою, назване поняття трактується як завдання всіх фізичних велич, які можуть впливати на результати. Завдання параметрів, які впливають на результати інших дослідів з цією ж системою, але не виявляються в даному експерименті, не вважається обов'язковим і відкидається як непотрібне (принцип бритви Оккама). У теорії стан системи - це завдання фізичних велич, за допомогою яких можна описувати результати всіх мислимих дослідів над цією системою. Метафізична ж категорія включає всі мислимі досліди над максимально широким класом фізичних систем. Подібне ділення декілька умовно, але вірно відображає ситуацію.

У теорії для характеристики стану потрібно створити математичну модель, що дозволяє зіставляти з вимірюваними на досліді фізичними величинами математичні об'єкти (функції, вектори, оператори тощо), які й визначають стан в теоретичної фізики. У класичній механіці таким об'єктом є набір всіх координат і імпульсів системи, і квантової хвильові функції, в електродинаміки тензор напруженості електромагнітного поля і т. д.

Важливо відзначити, що відношення реальної експериментальної ситуації з ідеальною моделлю - це деяке спрощення (так само як малюнок, хоча і є образом реального об'єкта, але не повністю тотожна йому). Ідеалізація вводиться для узагальнення поняття «стан системи», але в той же час вона редукує деякі справжні властивості досліджуваного предмета. Наведемо простої приклад. Механіка Ньютона Гамільтона-Лагранжа, а також спеціальна теорія відносності оперують поняттям «матеріальна точка». До нього в теорії прив'язуються значення її координат та імпульсів. Проте цей ідеальний об'єкт має всього три поступальні ступені свободи, тоді як будь-який механічний - не менше шести. Отже, опис дійсно існуючого об'єкта за допомогою координат та імпульсів являє собою ідеалізацію, оскільки не враховує обертальних ступенів свободи.

Ортодоксальна точка зору на теорію (А. Ейнштейн, II. Бор) полягає в тому, що вона повинна відображати реальний досвід і або давати його результати, або передбачати їх. Однак існує й інша крайня позиція, яка полягає в тому, що мета теорії пізнання реальності. Її прихильники виходять з того, що теорія охоплює величезний масив уявних дослідів, а відповідні їм реальні досліди в повному обсязі не будуть поставлені ніколи. Більш того, на їх погляд, в науці, навпаки, експеримент служить для підтвердження теорії або її уточнення чи спростування. Істина, швидше за все, лежить десь між цими твердженнями. Проте підкреслимо, що представники того і іншого перебігу внесли величезний внесок у розвиток базових понять фізики, та їм, по суті справи, належать первинні формулювання метафізичного поняття стану для відповідних розділів фізики (І. Ньютон, М. Фарадей, Дж, К. Максвелл, Л. Ейнштейн, І. Бор).

Зміна стану системи в часі обумовлюється її динамікою. Різним системам відповідає своя динаміка, однак будь-яка з них відбувається в просторі та часу. Математичні характеристики простору і часу є надзвичайно важливими для будь-якої динаміки. Відомо, що простір однорідний та ізотропний, а час відносний. Ці властивості відповідають інваріантності рівнянь динаміки для групи пороти та трансляцій системи координат простору і зміні початку відліку часу. Групи перетворенні, залишають інваріантні рівняння динаміки, важливі для фізики. Вони описують властивості симетрії фізичних систем. Симетрія одна з головних філософських категорій. Вона визначає найбільш загальні властивості широких класів фізичних систем. Саме дослідження симетрії мікрочастинок дозволило створити квантову аромо- та хромодинаміку, а також теорію електрослабкої взаємодії мікрочастинок.

Величезну роль у розвитку фізики грає концепції її атомізму. Ця ідея, висунута філософами, що жили раніше Платона, полягає в тому, що властивості матерії пояснюються властивостями мікрочастинок, з яких вона складається, і зв'язками між ними. Відповідно до сучасного погляду навколишній наш світ будується з фундаментальних ферміонів (частка з напівцілим спіном), які є частинками матерії, і фундаментальних бозонів (часток з цілим спіном), що представляють собою кванти всіх чотирьох типів полів, що зустрічаються у фізиці.

Філософський аспект включає і концепція вакууму, яка пройшла довгий шлях від «порожнечі» давніх греків до розуміння вакууму як основного стану нашого світу (стану з найменшою енергією Всесвіту як фізичної системи). Інваріантність вакууму щодо груп симетрії рівнянь квантової динаміки пояснюються численні унікальні властивості мікрочастинок. Так, рухається з прискоренням лічильник часток в області Всесвіту, де практично немає видимої материн і полів, починає рахувати частки (ефект Уіру).

Для сучасної фізики понятійної теоретичною базою є теорія відносності і квантова механіка. Головні метафізичні концепції цих розділів стали фундаментом інших розділів, розвинених пізніше.

Різні філософські точки зору на фізику стосуються, насамперед, трактування сенсу теорії, чи, конкретніше, наукових тверджень. Більшість філософських течій виникло саме з створенням теорії відносності і квантової емпіризм це вчення, яке визнає справедливість будь-якого затвердження, яке може бути доведене тільки чуттєвим досвідом. Існує досить широкий спектр поглядів на те, яким саме досвідом, а також до яких меж розповсюджується віра у справедливість наукових не тип. На позиціях емпіризму стояли Е. Мах та в значній мірі А. Ейнштейн і І. Бор.

Емпіризм відіграв велику роль у критиці деяких базових положень І. Ньютона (зокрема, про абсолютне часу) і допоміг розробці названих розділів фізики. Крайня його позиція називається соліпсизмом. Соліпсизм каже, що існувати означає бути сприйнятим. Елементи цього вчення присутні в інтерпретації квантової механіки І. Бором і активно використовуються в інтерпретації її Еверетта Уілера - Де Вітта.

Позитивізм проголошує, що сенс наукових за твердження криється у способі їх перевірки за допомогою експерименту. Якщо ж їх не можна підтвердити таким чином, то вони не мають сенсу. Як ми знаємо, це принцип верифікації. По відношенню до критерію істинності позитивізм є розвитком емпіризму. Згадаймо і принцип фальсифікації К. Поппера, згідно з яким будь-яке досить загальне наукове твердження, наприклад «кожна подія має свою причину», слід розглядати не як науковий факт (бо тоді його не можна фальсифікувати), а як свідчення намірів шукати цю причину.

Операціоналізм стверджує, що розглядаються в науковій теорії величини визначаються шляхом вказівки експериментальних процедур їх вимірювання. Модельної теорією; що ілюструє таку точку зору, стала теорія відносності з її трактуванням відстані і проміжку часу. Операціоналістичними визначеннями «грішить» більшість шкільних підручників фізики («Що називається силою струму в один ампер?», Або «Як визначається довжина в один метр?» і т. п.).

Концепція прагматизму заснована на положенні про те, що сенс наукового затвердження залежить від способу, яким це твердження обмежує або детермінує наші дії: воно справедливо, якщо корисно. Близька до цієї точка зору, що зводиться до того, що теорію слід розглядати лише як інструмент для вироблення прогнозів досвіду, представлена інструменталізму.

Навіть короткий огляд метафізичних підходів до питання про сенс наукових тверджень, які зіграли свою позитивну роль до моменту появи теорії відносності і квантової механіки, показує, що всі вони - вираз крайніх точок зору, і жоден з них не дає повної відповіді на те, що ж таке наукове твердження. Кожне із течій в якійсь мірі відображає наукові твердження деякої конкретної фізичної теорії, але не може бути визнаним коректним для опису всіх наукових положень. Мабуть, це обставина пов'язана з тим, що більшість наукових тверджень сучасної фізики носить дуже загальний характер і відноситься до безлічі випадків.

1.7 Механічна, електромагнітна і квантово-релятивістська картина світу

1. У розвитку фізичного знання виділяють механічну, електромагнітну і квантово-релятивістську картини світу.

2. Механістична картина світу базується на корпускулярної теорії будови матерії, принципі далекодії, уявленні про абсолютну просторі і абсолютному часу, жорсткому (лапласовському) детермінізмі.

3. В основі механічної картини світу лежать такі філософські принципи, як принцип матеріальної єдності світу, принцип причинності і законосообразности природних процесів. Розвиток експериментального природознавства призводить до появи принципу експериментального обґрунтування знання, відмови від споглядальності установці на з'єднання експериментального дослідження природи з описом її законів мовою математики.

4. Відповідно до електромагнітної теорією світ представляє єдину електродинамічну систему, побудовану з електрично заряджених частинок, що взаємодіють за допомогою електромагнітного поля. Найважливішими поняттями цієї теорії є: заряд, який може бути як позитивним, так і негативним; напруженість поля - сила, яка діє на тіло, що несе одиничний заряд, якщо воно знаходиться в даній точці.

5. Квантово-релятивістська картина світу сформувалася при вивченні властивостей об'єктів мікросвіту - атомів і складових його частинок. У ній, точніше в квантовій теорії поля, де об'єднані квантові і релятивістські уявлення, фундаментальними абстракціями є поняття часток і полів, переносників взаємодій.

6. Квантово-релятивістська картина світу ставить перед вченими цілий ряд проблем філософського характеру:

7. Онтологічного статусу об'єктів мікросвіту;

8. Взаємодії досліджуваного об'єкта і суб'єкта, мікросвіту і макроприбора, за допомогою якого проходить дослідження цього світу;

9. Об'єктного опису реальності мікросвіту;

10. Об'єктивності як адекватності квантової теорії.

1.8 Метафізика теорії відносності

Будь-яка подія, яка зачіпає фізичну систему, відбувається в певному місці простору й у певний момент часу, тому її просторові і тимчасові характеристики надзвичайно важливі для опису властивостей. На відміну від інших ці первинні поняття фізики протягом тривалого часу залишалися непорушними.

Перші уявлення про простір і час були сформульовані Аристотелем. Він вважав, що стан спокою тіла найвпевненіше і природно, а тому є абсолютне положення його в просторі. Г. Галілей і І. Ньютон показали, що це не так. У різних інерціальних системах відліку просторове відстань між подіями різне. Що ж стосується часу, то і Аристотель, і І. Ньютон вважали його абсолютним, тобто, говорячи сучасною мовою, поточним однаково у всіх інерціальних системах відліку. Використовуючи метод координат Р. Декарта, І. Ньютон визначив простір, в якому відбувається подія, як неевклідовий простір в трьох вимірах, яке є відносним (виконувався принцип відносності Г. Галілея). Час сприймалося як не пов'язане з простором, абсолютне і одномірне.

Спеціальна теорія відносності відкрила, що час також відносно. Більш того, немає ніякої відмінності між просторовими і тимчасової координатами події (чотиривимірний простір-час Міньковського). Закони динаміки І. Ньютона «покінчили» з абсолютним простором, спеціальна теорія відносності з абсолютним часом. Проте до створення загальної теорії відносності чотиривимірний простір-час трактувалося як деяка жорстка сцена, на яку не впливають події, що відбуваються на ній. У загальній теорії відносності (теорії гравітації) ситуація зовсім інша: обидві ці характеристики є динамічними змінними, тобто у випадках, коли рухаються маси або діє поле, кривизна простору-часу змінюється. Крім того, структура простору-часу відбивається на динаміці рухомих мас. Внаслідок цього простір і час впливають на що відбуваються в них події і самі стають іншими під впливом цих подій. Зі сказаного випливає важливе метафізичне твердження: не існує події поза простором-часом, а також не існує простір-час поза подією, тобто за межами Всесвіту.

Кінцівка Всесвіту (а зараз це доведений факт) говорить про те, що за її межами простір-час відсутній. Загальна теорія відносності замінила уявлення про нескінченну у просторі і вічно непорушною Всесвіту на картину динамічною, розширюється з моменту великого вибуху, кінцевою Всесвіту, яка мала початок і, можливо, матиме кінець. Зазначимо, що неможливість існування нескінченного Всесвіту випливає і з закону всесвітнього тяжіння Ньютона, тому що якщо гравітаційні сили є силами тяжіння, то стиснення Всесвіту уникнути не можна.

Теорія відносності служить базою для побудови космологічних моделей розвитку Всесвіту. Досягнення в космології останніх десятиліть стали можливі завдяки успішному застосуванню теорії відносності до пояснення її глобальних властивостей (теорія великого вибуху, відкриття чорних дір і т. п.). Однак слід зазначити, що загальна і спеціальна теорії відносності є насправді розділами класичної фізики, тому для них типовий детермінізм (кожний наслідок має свою причину). Стан багатьох об'єктів (зірки, чорні діри и т. п.) описується законами квантової механіки, яка характеризується індетермінізму. Створити теорію, яка об'єднала б квантову механіку і теорію гравітації, поки не вдалося. Крім того, в точці великого вибуху загальна теорія відносності не застосовна: закони фізики, як показав англійський дослідник С. Хокинг, порушуються в ній. Внаслідок цього в теорії відносності залишаються без відповіді істотні космології - про те, чому ранній Всесвіт був таким гарячим; чому він так однорідний у великих масштабах; чому швидкість розширення Всесвіту настільки близька до критичної, яка розділяє моделі з повторним стиском і моделі, в яких вона розширюється вічно; як утворилися галактики та інші неоднорідності Всесвіту.

Наука, що претендує на пояснення законів розвитку Всесвіту, повинна пояснити і напрям стріли часу. В усіх звичайних ситуаціях закони динаміки не змінюються при заміні часу t та -t Однак ясно, що в житті є величезна різниця між рухом із сьогодення в майбутнє і рухом із сьогодення в минуле, тобто вперед і назад в часі. Напрямок стріли часу - важливий філософське питання. Відомі кілька стріл: термодинамічна, космологічна, психологічна, квантова. Термодинамічна пов'язана з другим початком термодинаміки. У замкнутій системі ентропія не зменшується з часом. Напрямок даної стріли таке, що ентропія у незворотному процесі зростає. Космологічна стріла дає напрямок, в якому Всесвіт розширюється, а не стискається, психологічна в якому людина відчуває хід часу (людина пам'ятає минуле, але не уявляє майбутнє). І, нарешті, квантова стріла часу обумовлена процесом вимірювання, його «дволиким» характером: але відношенню до минулого воно дає верифікацію ймовірності результатів досвіду, передбачаються станом, створеному на момент підготовки системи, а по відношенню до майбутнього - створює новий стан (редукція хвильового пакету).

Напрями всіх стріл часу збігаються. На жаль, фізика ще не може звести всі їх до однієї і дати строге пояснення напрямки цієї стріли. Однак є дуже правдоподібні міркування, що зводять психологічну стрілу до термодинамічної. Якщо припустити, що людська пам'ять за своїми властивостями подібна пам'яті комп'ютера, то можна показати, що збільшення її впорядкованості підвищує ступінь безладу у Всесвіті. Витрати енергії, що йдуть на живлення комп'ютера та охолодження процесора, більше, ніж енергія, яка витрачається па запис у його пам'яті. Таким чином, робота комп'ютера збільшує ентропію Всесвіту, оскільки він виділяє теплоту. Напрямок часу, в якому машина запам'ятовує минуле, - те ж, у якому росте ентропія. Отже, психологічна стріла часу задається термодинамічної.

Для обґрунтування спрямованості космологічної стріли у філософії використовується слабкий антропопринцип: для існування людини як виду потрібно, щоб Всесвіт перебувала у фазі розширення, а не стиснення, оскільки тільки в цій фазі можуть скластися умови для розумного життя. Якщо припустити, що Всесвіт виник у досить гладкому і впорядкованому стані (відсутність в точці початку відліку часу, т, ч. в момент її утворення, сингулярності), то згідно із законами квантової теорії гравітації відсутня сильна термодинамічна стріла часу у фазі стиснення Всесвіту: коли всі зірки встигнуть згоріти, а баріони розпадуться на легкі частинки, Всесвіт буде знаходитися в стані майже повного безладу, в якому немає зазначеної стріли.

II. Квантова механіка

фізика філософський електродинаміка механіка

Характер передбачень теорії щодо уявного або реального експерименту зазнав змін. Доквантова фізика але заданого стану системи з достовірністю пророкувала значення будь-якої фізичної величини, що відображає її. Іншими словами, класичної фізики властивий детермінізм. Радикальне її відмінність від квантової механіки полягає в тому, що передбачення останньої є імовірнісними, причому це фундаментальна риса цієї науки. Отже, теорія передбачає значення різних спостережуваних фізичних величин і ймовірність значень для певного стану системи.

Якщо система наведена в якийсь стан і проводиться вимірювання досліджуваної величини, то встановити вірогідність появи одного з можливих значень можна за допомогою такої процедури. Якщо один і той же експеримент повторювати багато раз, то частка експериментів, при яких бажана величина буде виявлена з певним значенням по відношенню до загального числа експериментів, наближено і є ймовірність цього значення величини, що спостерігається. Точна ступінь ймовірності це значення, які можна було б отримати, проводячи експеримент нескінченне число разів, що фізично неможливо: будь-який експеримент можна виконати лише кінцеве число разів.

Ймовірність значення досліджуваної величини не фізичний параметр. З появою нової інформації ймовірність змінюється стрибком миттєво. Наприклад, у ящику лежать 10 однакових за розміром куль: 9 чорних і 1 червоний. Яка ймовірність того, що два вийнятих кулі будуть різного кольору? Ясно, що вона менше одиниці. Але, якщо кулі брати з ящика по одному і перший буде червоним, то ймовірність того, що другий чорного кольору, вже дорівнюватиме одиниці. Зміна інформації (червоної кулі вже немає в ящику) зробило іншою ймовірність події (вийняті дві кулі різного кольору) стрибком від значення 0,2 до 1, у той час як жодна фізична величина не може мінятися миттєво.

У класичній фізиці теж зустрічається поняття ймовірності події. Ним користуються, коли якась інформація про систему невідома. У цьому випадку ми можемо говорити про ймовірність значення спостерігається величини, проте це викликано неповнотою інформації. Якщо система квантова,. То навіть при максимально повної інформації про неї можливі значення досліджуваних величин визначаються вірогідністю, вони не детерміновані.

Далі для простоти будемо вважати, що стан квантової системи визначено максимально повно. Тоді воно описується хвильовою функцією, вид якої залежить від того, як підготовлена система. В нерелятивійській квантової механіки ця функція задовольняє рівнянню Шредінгера динамічному рівнянню, виражає зміна хвильової функції з часом по заданому початкового стану. Якщо в процесі еволюції системи проводиться вимір величини, що спостерігається, то хвильова функція миттєво змінюється стрибком і стан збігається зі станом, в якому дана величина має отримане па досвіді значення. І цьому полягає принцип редукції хвильового пакету, або проективний постулат квантової механіки. Відзначимо, що стан, в якому спостерігається величина має певне значення, не встановлюється рівнянням Шредінгера, а задається нею самою.

Велика відмінність між класичною і квантовою фізикою ще в тому, що остання виходить з особливої ролі процесу вимірювання. Звичайно, і в тому і в іншому вимірі змінюється стан системи, оскільки вносить збурення, зумовлені взаємодією приладу і системи. У класичній фізиці вони не регламентовані теорією, а в квантовій механіці регламентовані фундаментальним принципом (проективним постулатом).

Таким чином, є два різних закону, керуючих змінами стану системи з часом, тобто квантової динамікою. Перший рівняння Шредінгера, яке характеризує еволюцію стану системи в часі до тих пір, поки вона не буде збурена якими-небудь експериментом з вимірювання величини, що спостерігається. Поведінка системи до вимірювання повністю детерміноване. Знаючи її початковий стан, ми можемо повністю і однозначно передбачити її майбутній стан. Другий закон проективний постулат Дірака, який керує системою, що зазнала акту вимірювання. Даний закон носить повністю імовірнісний характер і описує зміну стану в результаті акту виміру (стан системи після вимірювання визначається самою спостерігається величиною, а ймовірність отриманого на досвіді значення як хвильовою функцією, так і станом, заданим самої досліджуваної величиною).

Розглянемо. Простий приклад. Нехай електрон падає на плівку і викликає її почорніння в тому місці, куди він потрапив. Це експерименти по встановленню його положення па фотоплівці. До зіткнення з плівкою електрон описується хвильовим рівнянням Шредінгера і знаходиться в стані плоскої хвилі. В момент попадання па плівку діє проективний постулат Дірака (вимірювання положення електрона), і він веде себе як корпускула, оскільки потрапляє в певне місце плівки. На зорі квантової фізики таку ситуацію називали корпускулярно-хвильовим дуалізмом. Як бачимо, дуалізм наслідок двох різних динамік стану до спостереження і при вимірі.

З точки зору метафізики дуалізм не задовольняє вимогам, що пред'являються до фундаментальної фізичної теорії. Прилад фізична система, а вимір фізичний процес. І прилад, не експеримент повинні підпорядковуватись дії рівняння Шредінгера. Ця вимога абсолютно вірна. Що ж відрізняє фізичний процес, керований рівнянням Шредінгера, від керованого проективним постулатом? І. Бор вважав, що він дав відповідь на це питання. На його думку, квантова механіка застосовна тільки до мікроскопічних об'єктів, які мають дуже малу масу і зосереджені в дуже малих обсягах простору. Прилад же повинен бути макроскопічний, щоб він міг безпосередньо сприйматися свідомістю, як у класичній фізиці, тобто він повинен описуватися класичної фізикою. Проективний постулат набуває чинності тільки тоді, коли квантова система взаємодіє з класичним приладом.