Повна версія

Головна arrow Філософія arrow ІСТОРІЯ ТА МЕТОДОЛОГІЯ НАУКИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПАРАДИГМИ ФІЗИКИ

Ті ж особливості наукового прогресу XIX в. ми спостерігаємо і в фізиці: тут також досягається тріумф класики і в той же час вихід на рубіж науки XX ст. Протягом XVIII ст. відбувалося оформлення структури прикладної механіки. З неї послідовно виділилися, як відносно самостійних дисциплін, гідравліка, теорія гідравлічних двигунів, теорія парових машин і парових котлів та ін. В області чистої механіки роботами Г. Монжа (1746-1818) і А. Ампера (1775-1836) формувалися кінематика , теорія пружності, гідромеханіки та ін. Активно розроблялися основи термодинаміки. У 1824 р С. Карно в роботі «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» розробляв так званий цикл Карно, вказуючи, що корисна робота в парових машинах може бути отримана тільки при переході тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

У 1850 р Р.Клаузиус відкрив другий початок термодинаміки: теплота не може сама по собі перейти від менш нагрітого тіла до більш теплого - і ввів поняття ентропії. Одночасно формувалося перший початок термодинаміки як окремий випадок закону збереження і перетворення енергії, сформульованого Р. Ю. Майєром в роботах 1842-1845 рр. У 1847 р Г.Гельмгольц в роботі «Про збереження сили» вперше дав сувору математичну формулювання цього закону і довів його загальну значимість для фізики. Це відкриття підривало основи теорії теплорода, остаточно сокрушенной створенням кінетичної теорії газів, розробленої в 1856-57 рр. А. К ренін го м і Р. Клаузиусом. В результаті в науці затверджуються статистичні закони і уявлення про незворотність будь-яких фізичних процесів. Особливу роль в утвердженні цих нових уявлень зіграли праці австрійського фізика Л. Больцмана (1844-1906). Однак їх наслідком в термодинаміки стали дві проблеми, дві загадки для фізики XX ст .: проблема «теплової смерті» Всесвіту і проблема детермінізму, бо якщо всі закони природи імовірнісних, то як бути з першим початком термодинаміки і з ідеєю причинногообумовленості, яка сприймається фізиками як основа всієї класичної науки?

Значні зміни відбулися і в галузі вивчення електрики і магнетизму. М. Фарадей (1791-1867) і Д. Максвелл (1831-1867), розробляючи теорію електромагнітного поля, встановили зв'язок між електромагнітними явищами і світлом. У 1887 р Г. Герцу вперше вдалося виявити електромагнітні хвилі і таким чином експериментально довести реальність електромагнітного поля. У 1870 р У. Крукс відкрив катодні промені, а в 1895 р В. Рентген - X-л учи (згодом названі рентгенівськими) - електромагнітне випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі. У 1897 р Д. Томсон довів, що катодні промені є потоком електронів. Незадовго до цього, в 1896 р, А. Бек- Керель виявив явище радіоактивності - одну з найбільших загадок XIX ст., Переданих їм XX.

Таким чином, XIX століття стало не тільки найвищою точкою розвитку класичної науки, а й передоднем науки XX ст., Висунувши ряд проблем, які революціонізували весь хід її розвитку. Якщо наука XVII-XIX ст. кваліфікується зазвичай як класична, то зміни, що відбуваються в XX в., переводять її в нове, некласична стан. Разом з тим думки про принципову відмінність науки XX ст. від науки класичної епохи представляються перебільшеними. Наука XX ст., При всіх її особливості, є продовженням і розвитком класичної спадщини.

Антропний принцип. У чому ж полягає особливість науки XX ст.? У чому виявляється її неклассічность? Звісно ж, що головна відмінність науки XX ст. полягає в тому, що вона долає горизонти «принципу Коперника», згідно з яким наша частина Всесвіту (Земля і Сонячна система) є звичайна, якщо можна так висловитися, типова частина світу, нічим особливим не відрізняється від всього іншого різноманіття, ні в чому не привілейована . Цей принцип зіграв визначну роль у розвитку природничих наук, дозволивши провести чітку демаркаційну лінію між науковими припущеннями і міфологією. Але на певному етапі розвитку науки цей же принцип починає відігравати негативну роль, стає гальмом для наукової думки. Виявляється зворотна сторона цього принципу: з того, що наша частина Всесвіту розглядається як типовий зразок, абсолютно тотожний будь-який інший його частини, слід, що весь світ в його нескінченності побудований за образом і подобою відомого нам порівняно невеликого його фрагмента. Тим самим стверджується «погана нескінченність» світу, його абсолютна «монотонність» щодо приватних фізичних параметрів. Нова наука виявляє, що нескінченність реалізується тільки через кінцеве і що всяке властивість або відношення звичайно, але кінець їх означає перехід на щось інше, настільки ж реальне і об'єктивне.

Математика. Введення в науку антропного принципу, як прийнято називати принцип, альтернативний принципом Коперника, веде до подальшого обмеження застосування в ній такого евристичного прийому, як наочність. Справді, реальна нескінченність означає, що все наочно представимо властивості світу є приватними і обмеженими. Вони є не що інше, як локальні і історично зумовлені форми виявлення деяких найбільш фундаментальних властивостей, найчастіше просто не мають безпосередніх чуттєво-наочних форм зовнішнього вираження. Такі властивості просто неможливо собі уявити, їх можна тільки подумати. Звідси зростаюча роль математики в науці XX ст. За словами М. Клайна: «Ми приходимо до висновку, що реальний світ є не те, про що говорять наші органи чуття з їх обмеженим сприйняттям зовнішнього світу, а скоріше те, що говорять нам створені людиною математичні теорії, що охоплюють досить широке коло явищ. .. Яка фізична реальність, що лежить за межами математики? Ми не маємо в своєму розпорядженні навіть уявними фізичними картинами для пояснення ... Важко, якщо взагалі можливо, уникнути висновку: математичним знанням вичерпуються всі наші знання щодо різних аспектів реальності » [1] . Зв'язок з чуттєвої наочністю зберігається опосередковано, через інтерпретацію теорії і через її застосування на практиці. Створення математичних моделей стає магістральним шляхом розвитку і теорії, і її додатків. Саме в цій області виникають нові стимули для розвитку математики. Значення математики полягає саме в тому, що вона виявляється методом, свого роду ідеальною технікою, що створює апарат для інших наук.

Таким чином, розробка математичних моделей стає головним напрямком сучасного процесу математизації науки. Фахівці різних її областей прагнуть опанувати за допомогою математики апаратом для ефективного застосування його до того, що необхідно висловити, хоча і неможливо уявити в наочній формі. Однак, оскільки пряме запозичення математичних розробок далеко не завжди виявляються ефективним, «виникає необхідність створення нового математичного апарату, розробки нових математичних засобів і методів, що відображають специфіку області їх застосування» [2] . В результаті як під впливом внутрішніх потреб математики, так і у відповідь на запити інших галузей науки коло кількісних відносин і просторових форм, що вивчаються математикою, надзвичайно розширюється. У нього входять відносини між елементами довільної групи, векторами, операторами в функціональних просторах, все розмаїття просторів будь-якого числа вимірів і ін. Надзвичайна розширення предмета математики привертає посилену увагу до питань її обґрунтування, т. Е. Критичного перегляду її вихідних положень, побудови суворої системи визначень і доказів, а також критичного розгляду логічних прийомів, вживаних при цих доказах.

В кінцевому підсумку склався стандарт вимог до логічної строгості, що залишається і до теперішнього часу панівним в практичній роботі математиків над розвитком окремих математичних теорій. Цей стандарт, за визначенням відомого математика А. Н. Колмогорова, «заснований на теоретико-множинної концепції будови будь-якої математичної теорії. З цієї точки зору будь-яка математична теорія має справу з одним або декількома множини об'єктів, пов'язаних між собою неко торимі відносинами. Всі формальні властивості цих об'єктів і відносин, необхідні для розвитку теорії, фіксуються у вигляді аксіом, що не зачіпають конкретної природи самих об'єктів і відносин. Теорія може бути застосована до будь-якій системі об'єктів з відносинами, що задовольняють покладеної в основу системі аксіом. Відповідно до цього теорія може вважатися логічно строго побудованої тільки в тому випадку, якщо при її розвитку не використовується ніяких конкретних чи не згаданих в аксіомах властивостей досліджуваних об'єктів і відносин між ними, а все нові об'єкти або відносини, що вводяться в міру розвитку теорії понад згадані в аксіомах, формально визначаються через ці останні » [3] .

У XX ст. надзвичайно розширюється тематика математичних досліджень. Якщо на Паризькому конгресі 1900 р діяли лише 4 секції: арифметики і алгебри, аналізу, геометрії, механіки і механічної фізики, то сучасні математичні конгреси складаються з десятків секцій: математичної логіки і основ математики, алгебри, теорії чисел, геометрії, топології, алгебраїчної геометрії, комплексного аналізу, теорії ймовірностей і математичної статистики, групи Лі і теорії зображень, речового та функціонального аналізу, дискретної математики та комбінаторики, математичних аспектів інформатики та ін., та ін. Багато з цих напрямків виникли в XX ст., роль інших змінилася: зросла або щодо скоротилася. Зросла загальна кількість математиків в світі. Замість приблизно тисячі активно працювали в кінці XIX в. математиків до кінця 70-х років XX ст. в математиці працювали до 300 тисяч фахівців, які розробляли 467 розділів і 2950 тим в 60 основних областях [4] .

Теорія відносності. Одним з найбільш яскравих проявів ефективності математизированной науки стало створення теорії відносності. Говорячи про її витоки, потрібно перш за все відзначити, що їй передувала яка розпочалася ще в XIX в. обережна критика основоположних тверджень ньютонівської механіки, натхненна тими підвищеними вимогами до строгості, які в цей час складаються в математиці. Его насамперед критика ортодоксального ниотоніанства Г. Герцем (1857- 1894). Герц показав, що математичний формалізм класичної механіки допускає три різних картини світу в залежності від вибору базових понять. Ниотоніанство представляє лише одну з трьох можливостей, пов'язану з не зовсім коректним розумінням сили і маси. Він висловив думку, що саме «логічна невизначеність викладу надає основних елементів [ньютонівської концепції] ілюзію міцності і незмінності» [5] . З позицій номіналістичної емпірії критикував класичну механіку і Е. Мах (1838-1916), доводячи відносність маси, руху, простору, часу і відкидаючи поняття абсолютного руху. З критикою підстав механіки виступав також А. Пуанкаре (1854-1912). Зокрема, він доводив, що сила дорівнює добутку маси на прискорення тільки за визначенням, так само як і твердження про рівність дії і протидії. Обидва ці положення апріорні і не мають досвідченого обгрунтування, так як ставляться тільки до ізольованим системам, але оскільки система ізольована, вона недоступна експерименту. Реально існують лише відносно ізольовані системи, до яких закони Ньютона застосовні наближено. Можна навести й інші приклади критики ниотоніанства, але суть у всіх випадках одна - класичну механіку критикують за недостатню строгість інтерпретації та обґрунтування.

Згодом з'явився і більш прямий і безпосередній стимул до ревізії основ механіки. В рамках хвильової теорії світла Ж. Фуко в 1850 р розробив методику вимірювання швидкості поширення світла в різних середовищах. Зокрема, він показав, що швидкість світла у воді становить 0,75% швидкості світла в повітрі. Протягом наступних років із застосуванням все більш досконалою апаратурою проводилися вимірювання швидкості світла в порожнечі. До цього часу з усього сонму «невагомих рідин» і «тонких субстанцій» в науковому побуті залишилося тільки поняття ефіру - недоступною чуттєвого спостереження тонкої субстанції, що заповнює проміжки між усіма тілами. Ефір розглядався як необхідне доповнення до атомизму. Але в кінцевому рахунку його роль звелася до виконання лише однієї функції «світлоносного ефіру», т. Е. Середовища, в якій поширюються світлові хвилі.

Після того, як Фарадей і Максвелл довели електромагнітну природу світла, теорія ефіру не тільки не впала, а й отримала подальший розвиток: електрику і магнетизм стали розглядатися як стану напруги в ефірному полі. Але виникла проблема міжзоряного ефіру, надзвичайно важлива для астрономії: як поводиться ефір в якості міжзоряного середовища? Нерухомий він, або частково захоплюється рухом матеріальних тіл, або захоплюється ними повністю? Гіпотеза Герца про повне захоплення ефіру не отримала підтвердження, і була прийнята гіпотеза X. Лоренца (1853-1928) про ефір як про нерухому всепроникною субстанції. В цьому випадку ефір набуває функцію абсолютної системи відліку в абсолютній просторі. У 1881 р А. Майкельсон ставить свій знаменитий досвід, пов'язаний зі спробою експериментально виявити рух Землі відносно нерухомого ефіру (визначити наявність так званого «ефірного вітру»). Результат досвіду виявився негативним, і потрібно було дати цьому адекватне тлумачення.

Таким адекватним тлумаченням стала розробка спеціальної теорії відносності (СТО), що ознаменувала собою революцію у фізиці і стала своєрідним вододілом між наукою XIX і XX ст. За оцінкою В. Гінзбурга, «Три роботи вважаються найважливішими при створенні СТО. Автором першої з них (1904) був один із загальноприйнятих лідерів теоретичної фізики X. А. Лоренц, за два роки до цього отримав Нобелівську премію з фізики. Автором другої роботи (1905) з'явився знаменитий французький математик А. Пуанкаре. Нарешті, третя робота (1905) виконана майже невідомим дрібним службовцем патентного бюро А. Ейнштейном. Його робота була спрямована до друку майже одночасно з повідомленням Пуанкаре і написана без обізнаності про роботу Лоренца. Дослідження Ейнштейна містить не тільки всі істотні результати обох названих робіт, але і дає виклад абсолютно нового і глибокого розуміння проблеми » [6] . Сам Альберт Ейнштейн вирішував цю проблему як суто фізичну, явно маючи велику схильність до фізики, ніж до математики. Інновація його полягала перш за все в тому, що галилеевский принцип відносності розширювався і охоплював не тільки механіку, а й електродинаміку.

Спеціальна теорія відносності народилася в надрах теорії електромагнітного поля Дж. Максвелла (1831-1879). Математичні його коріння були розкриті Г. Мінковським (1857-1931), який встановив зв'язок спеціальної теорії відносності з геометрією Лобачевського. Простір швидкостей в СТО виявляється простором Лобачевського, де формула складання швидкостей визначається за допомогою руху цього простору. «Це було надихаючим подією для математиків: теорія, яка здавалася божевільною заумио, раптом лягла в основу механіки світобудови» [7] . Безпосереднім висновком з нової теорії з'явився закон еквівалентності маси і енергії, що уявлялося «самим парадоксальним твердженням теорії відносності», в істинності якого, проте, в тому ж столітті «все людство переконалося на трагічному прикладі - вибух бомби в Хіросімі» [8] .

У 1907 р Ейнштейн, просуваючись в тому ж напрямку далі, зробив висновок, що гравітаційне поле в фізичному сенсі еквівалентно прискоренню, а важка маса (величина, пропорційна вазі тіла в полі тяжіння) і маса інертна (характеризує сталість відносини прикладеної до тіла сили його прискоренню) висловлюють одне і те ж властивість матерії, взяте в різних відносинах. Виходячи з цього, Ейнштейн в роботах 1914-1915 рр. розробляв загальну теорію відносності (ЗТВ), що стала сучасною теорією гравітації і поклала початок пошуків універсальної теорії, в якій всі фізичні величини розглядалися б як феномени викривлення єдиного простору - часу.

Фізика елементарних частинок. XX століття увінчаний також відкриттями в області дослідження субатомних процесів і тонких структур матерії. Коріння і в цьому випадку йдуть в XIX в., В численні дослідження і відкриття випромінювань різного виду (теплове, рентгенівське, ультрафіолетове, катодні промені та ін.). Значний інтерес у вчених викликали флюоресценція та фосфоресценція, при вивченні яких широко використовувалися уранові солі. Саме в дослідах з ними А. Беккерель ще в 1896 р виявив новий вид проникаючого випромінювання, який подружжя Кюрі, ще не знаючи його природи, позначили як «радіоактивність», виявивши у відкритого ними радію подібне випромінювання набагато більшої інтенсивності, ніж у урану. У 1899 р Беккерель виявив, що при проходженні через магнітне поле промені розпадаються на дві складових: or-промені і /? - промені. Пізніше була відкрита і третя складова: 7-промені. У 1900 р Е. Резерфорд показав, що з виділенням а-частинок відбувається утворення «еманації» хімічного елемента. А незабаром У. Релей і Ф. Содді прийшли до висновку, що радіоактивність пов'язана з атомними перетвореннями, що і підтверджено емпірично в дослідах Резерфорда і Содді. Так поступово складалася теорія радіоактивного розпаду.

Формуванню цієї теорії сприяє відкриття в перші роки XX століття багатьох радіоактивних елементів і ізотопів. До 1908 р з'ясувалося, що а-частинки - це іони гелію, що входять складовою частиною в природні радіоактивні речовини. Був відкритий основний закон радіоактивності - закон напіврозпаду, специфічний для кожного виду радіоактивних речовин. Згідно з цим законом, частка атомів, що розпадаються за певний проміжок часу, є постійною, що характеризує елемент, і називається постійної радіоактивного розпаду, а величина, зворотна їй, називається середнім часом життя. Одночасно йдуть пошуки прийнятної моделі будови атома як складного утворення.

До кінця XIX в. була відома лише одна субатомна частка - електрон. Наявність його в складі атома сумнівів не викликало, але було неясно, з чого складається основна маса атома і що змушує простір, в яке занурені в атомі електрони, вести себе так, як якщо б воно мало позитивний електричний заряд, який дорівнює сумі негативних зарядів електронів. У роботах Д. Томсона (1856-1940) і П. Ланжевен (1872-1946) доводилося, що електрони перебувають в стані обертання по замкнутих орбітах, розташовуючись кільцями, з чим пов'язана і хімічна природа атома. У 1913 р Томсон висуває припущення, що і інші атоми, крім радіоактивних, можуть бути розкладені. У 1911 р Резерфорд, шукаючи пояснення значного відхилення а-часток, що проходять через тонкі пластинки з важких металів, припустив, що в центрі атома розташоване заряджене позитивно ядро дуже малих розмірів, але укладає в собі ббльшую частина маси атома. У 1914 р була відкрита позитивно заряджена частіца- протон, і це відкриття наблизило поширення моделі атома Резерфорда, створеної для пояснення радіоактивності, на нерадіоактивні елементи.

До 1913-1914 рр. відносяться перші досліди з опромінювання а-частинками легких елементів таблиці Менделєєва, що викликало ядерні перетворення. Була устанавл нова характеристика атома -атомний номер, що характеризує заряд ядра. На початку 1920-х рр. Ф. Астон виявив так званий дефект маси (перехід частини маси при упаковці частинок в ядро в енергію зв'язку ядра) і припустив, що «можливо, майбутні дослідники відкриють який-небудь спосіб звільнення цієї енергії ... Але потрібно, однак, весь час пам'ятати про те, що звільнена енергія може виявитися зовсім неконт] юліруемой і завдяки своїй величезній силі зробити вибух навколишньої дійсності речовини » [9] .

До 20-х років XX ст. вчені чітко розрізняють в атомі дві підсистеми - зовнішню, електронну, і внутрішню, внутрішньоядерних. У першій з них легко відбуваються зміни, що визначають хімічні властивості елемента, його хімічні зв'язки і реакції. Зміни ж в ядрі викликати важко, але зате ці зміни означають ядерні перетворення, викликаючи відповідну перебудову і зовнішньої системи. Цьому відповідала модель атома Резерфорда, але з точки зору класичної електромагнітної теорії було незрозуміло, чому електрон, обертаючись навколо ядра, не випромінює електромагнітні хвилі і не падає на ядро, виснаживши свої ресурси. У 1923 р датський фізик Нільс Бор створив квантову модель атома, згідно з якою електрон може перебувати лише на одній з дозволених орбіт, при цьому не випромінюючи енергію і маючи можливість переходу на іншу орбіту тільки стрибком. Це означає, що вплив зовнішніх факторів на рух частинок атома не підкоряється звичайним законам класичне механіки. Спектральні лінії були інтерпретовані як результати таких електронних стрибків.

Протонно-електронна модель атома, добре пояснюючи оптичні і хімічні властивості атома і серії спектральних ліній, властивих різним елементам, в той же час була малоефективна для тлумачення ядерних перетворень. Лише відкриття нейтрона, розробка протон но-нейтрон ної схеми будови ядра і поява на цій основі ядерних моделей (оболочечной, крапельної, узагальнюючої) створили умови для розуміння механізмів радіоактивних перетворень. Експериментально нейтрон був виявлений І. Кюрі і Ф. Жоліо в 1931 р, а в 1934 р ними ж було зроблено відкриття штучної радіоактивності.

Квантова теорія. Отже, дослідження радіоактивності і теорія відносності породили серйозні сумніви в точності і строгості класичної механіки і електромагнітної теорії. На шляхах подолання цих труднощів і виникають квантова механіка і електродинаміка.

Серед інших XIX століття поставив також питання про розподіл енергії в спектрі теплового випромінювання. Розрахунки на основі класичної теорії теплового випромінювання не давали задовільних результатів. У 1900 р М. Планк знаходить формулу такого випромінювання, відмовившись від фундаментального для класичної фізики принципу безперервності переходу з одного стану в інший. У рівняння була введена додаткова величина h - «постійна Планка» і вперше був використаний термін «квант». Постійна Планка дозволяє в рамках математичного формалізму при вирішенні різних фізичних завдань кількісно оцінити, наскільки при описі фізичної системи істотні квантові ефекти. Коли за умовами завдання постійну Планка можна вважати пренебрежимо малою величиною, квантове рівняння перетворюється в рівняння класичної механіки.

У 1905 р Ейнштейн довів, що квантованим є не тільки випускання випромінювання, але і його поглинання і, отже, дискретність - фундаментальне властивість самого випромінювання. Пізніше квант електромагнітного випромінювання отримує назву «фотон». Складається так званий корпускулярно-хвильовий дуалізм: випромінювання притаманні як корпускулярні (квантованность випромінювання і поглинання), так і хвильові властивості (інтерференція). У моделі атома Бора квантування поширилося і на атом. Ця модель давала хороші кількісні результати для атома водню, але описати кількісно наступний з елементів-атом гелію-вже не могла. У 1924 р французький фізик Л. де Бройль висунув припущення про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму як для випромінювання, так і для «корпускулярної» матерії, т. Е. Про те, що хвильові властивості повинні бути притаманні і електронів. Спочатку ця гіпотеза була зустрінута вкрай насторожено, але в 1927 році вона знайшла своє підтвердження в дослідах К. Девіссона і Л. Джеммер. В результаті визнання за електроном хвильових властивостей виникла парадоксальна з класичної точки зору ситуація. Якщо ми визнаємо корпускулярноволновой дуалізм, то з того, що імпульс виражається через довжину хвилі, а говорити про довжину хвилі в якійсь точці безглуздо, слід, що частка з певним імпульсом має невизначену координату. І навпаки, займаючи певне положення, частка не має певного імпульсу. У тому ж 1927 році це відношення між імпульсом і координатою, між часом і енергією В. Гейзенберг висловив через так зване співвідношення неон рідшала ностей.

Таким чином, протягом 1920-х рр. працями де Бройля, М. Борна, В. Гейзенберга і ін. складалася хвильова, або квантова механіка. На її основі формувалася розгалужена квантова теорія, що включає в себе квантову статистику, квантову теорію поля, теорію атомного ядра і фізику високих енергій (елементарних частинок). Перспективи цієї теорії представляються воістину неосяжними: «Межі застосування квантової теорії в широкому сенсі слова поки невідомі. Квантова теорія -самая загальна і всеосяжна з усіх існуючих фізичних теорій. За сучасними уявленнями, вона повинна описувати будь-яка фізична явище в межах існуючих можливостей вимірювання. Не відомий поки жоден об'єкт, для опису якого квантова теорія була б явно недостатньою » [10] .

Астрофізика і космологія. Найцікавішими сферами прикладання квантової теорії стали астрофізика і космологія. Одним з показників прогресу в цій області були послідовно змінюють один одного моделі Галактики і Всесвіту, які акумулювали в собі накопичені наукові знання. До кінця XIX в. склалися три типи моделей Чумацького Шляху: як диска, нескінченного плоского шару зірок або центрального скупчення зірок, оточеного віддаленим кільцем, що складається із зірок же. Не виключалося і те, що Всесвіт і Чумацький Шлях це одне і те ж. Сонячна система передбачалася розташованої в центральній частині всієї зоряної системи. Рівень знань був такий, що в 1904 р англійський натураліст А. Уоллес в книзі «Місце людини у Всесвіті» описував все туманності як зародок зірок, згущення міжзоряного пилу.

Власне астрофізика бере початок від робіт А. Еддінгтона 1916-1918 рр. На базі термодинамічної теорії променистого рівноваги і експериментального відкриття П. Лебедєвим світлового тиску (1900) він створив «фізику зірок», ключем до якої стала робота Д. Джинса, в 1917 р теоретично довів, що зоряне речовина має бути при зіркових температурах повністю ионизировано і близько за своїми властивостями до ідеального газу, що робить його доступним математичному опису. У 30-і рр. XX ст. були, нарешті, визначені розміри нашої Галактики, що дало можливість більш чітко розрізняти внутрігалактічсскіе і позагалактичні об'єкти і уточнити масштаби досліджуваних процесів. Почалася поступова систематизація зростаючого різноманіття космічних об'єктів, їх модельне дослідження. Паралельно розвитку астрофізики відбувалося формування і розвиток космології. Теоретичний фундамент космології становлять основні фізичні теорії-теорія тяжіння, електромагнітна теорія, оптика та ін. У міру розвитку теорії тяжіння змінювалися і космологічні моделі. В основі сучасної космології лежить загальна теорія відносності (ЗТВ).

В кінці 20-х років XX століття була доведена нсстаціонар- ність Метагалактики: виявилося, що для всіх ліній в спектрах далеких галактик спостерігається так званий червоний зсув, т. Е. Зрушення ліній спектру щодо їх нормального положення на спектрограмах. Єдиним прийнятним поясненням цього було зменшення частоти світла внаслідок ефекту Доплера, що означало так зване розбігання галактик, т. Е. Взаємне видалення скупчень галактик або, що те ж саме, - «розширення Всесвіту». Спроби дати цьому тлумачення за допомогою моделей, заснованих на класичній фізиці, без звернення до теорії відносності успіху не мали. У той же час, ще в 1922 р, А. Фрідман створив першу релятивістську модель Всесвіту, а в 1927 р Ж. Леметр - модель, в якійсь мірі реанімує ідеї античних орфиков про творіння світу з космічного яйця. Відповідно до цієї моделі Всесвіт виникає з «Атома-Отця» і надалі розширюється. У 30-ті роки XX ст. ця модель була розвинена Еддінгтоном, який припустив, що Всесвіт починає своє розширення з надщільного згустку звичайного речовини. Тоді ж

Е. Мілн запропонував модель «гарячого Всесвіту», в якій Всесвіт виникає в результаті вибуху якогось надщільного згустку первоматерии - так відбувається формування зірок, галактик і ін. У 1946 р Г. Гамов запропонував теорію великого вибуху, згідно з якою Всесвіт виникає вибуховим чином, в результаті розльоту якоїсь нероздільної суміші випромінювання і речовини, в ході якого формуються атоми. А в 1964 р завдяки відкриттю передбаченого Гамовим так званого реліктового випромінювання його теорія вибухає гарячого Всесвіту отримала емпіричне підтвердження.

Радіоелектроніка. Друга половина XX ст. характеризується великою кількістю фізико-математичних досліджень, серед яких особливу важливість мають роботи в галузі радіоелектроніки. Електроніка-галузь фізики і техніки, що вивчає електронні та іонні процеси у вакуумі, твердих тілах, рідинах, газах, плазмі та їх поверхневих шарах. Вазіс електроніки був закладений ще в XIX в. До її передумов відносять відкриття вольтової дуги (1802), тліючого розряду в газах (1850), катодних променів (1859), лампи розжарювання (1873), термоелектронної емісії (1888); винахід радіо (1895) і електронно трубки (1897). На початку XX ст. були винайдені вакуумний діод (1904), кристалічний детектор (1905), вакуумний тріод (1907). Надалі розвиток електроніки проходить три етапи.

На першому етапі, в 40-ті роки XX ст., Йшло дослідження і розробка електровакуумних приладів. З 1934-35 рр. в США, Англії, СРСР, Німеччини, почалися роботи над радіолокацією. Велися активні дослідження в галузі телебачення і електронної обчислювальної техніки. У США і СРСР йшла активна розробка ЕОМ першого покоління.

Другий етап розвитку електроніки доводиться на 50-і роки XX в. Він пов'язаний з переходом від електровакуумних приладів (ламп) до напівпровідникових приладів. Створювалися ЕОМ другого покоління. В цей же час ряд відкриттів підготував наступний етап в електроніці, пов'язаний з винаходом першого квантово-електронного генератора радіохвиль - мазера, розробленого А. Прохоровим і Н. Басовим в 1954 р Незабаром, в 1960 р, був створений лазер імпульсної дії, що дає випромінювання в оптичному діапазоні. У тому ж році розроблений і перший лазер безперервної дії. Потрібний ефект створюється в ньому методом газового розряду в гелієво-неоновим суміші (газорозрядне лазер). Проектувалися твердотільні і плазмові лазери; підвищувалася їх потужність і тривалість безперервної дії.

З 60-х років XX ст. почався третій етап розвитку електроніки, пов'язаний з розробкою мікроелектронних пристроїв -з конструюванням електронного приладу безпосередньо всередині і на поверхні напівпровідникового кристала. Іншими словами, сам напівпровідниковий кристал перетворюється в мікроелектронних прилад. Одне з найважливіших досягнень 70-х років XX ст. - створення рідинних лазерів, лазерів на барвниках. Використовуючи розчини ряду органічних барвників, такі лазери можуть працювати в режимі надкоротких імпульсів, що відкриває для них широке поле застосування (лазерна спектроскопія, фотохимия та ін.) Застосування лазерів дозволило підвищити точність і прискорити процес вимірювань, зробило можливими вимірювання в раніше недоступних для цього областях . Лазерна техніка, доповнена винайденими в ці роки световодами, революционизировала зв'язок, дозволяючи створювати установки, здатні надійно передавати великі масиви інформації. Визначним досягненням квантової електроніки є розробка і освоєння в 70-80-ті роки XX ст. голографії.

Підсумки і перспективи. Серед проблем фізики, що розроблялися в XX в. і зберігають свою важливість в новому, XXI ст., можна, слідом за В. Гінзбургом, виділити три [11] .

По-перше, ті, які важливі для доль людства, як наприклад, проблема керованого ядерного синтезу з метою отримання енергії. Роботи ці почалися в 50-ті роки XX ст., І вінцем їх є пристрої типу ТОКАМАК (камера з гарячою плазмою, утримуваної сильним магнітним полем). До 2005 р передбачається розробити і побудувати «справжній прообраз термоядерного реактора майбутнього». Сюди ж відносяться проблеми створення надпотужних лазерів, а також дослідження в області синергетики (теорії самоорганізації).

По-друге, найбільш фундаментальні проблеми теоретичної фізики, фізики елементарних частинок (мікрофізики). Тут вчені приходять до висновку, що «розподіл речовини на все більш дрібні частини повинно ж колись вичерпатися». Так чи інакше, на сьогоднішній день ми вважаємо неподільними і в цьому сенсі елементарними кварки, лептони (електрон і позитрон), відповідні їм нейтрино і так звані векторні бозони, в тому числі фотон. Великі надії з подальшим поглибленням досліджень покладаються на споруджуваний у ЦЕРНІ надпотужний прискорювач. Тривають роботи по формуванню так званого супероб'едіненія - об'єднання в теорії єдиним математичним формалізмом електромагнітного, ядерного (слабкої і сильної) і гравітаційного взаємодій.

По-третє, перспективна область досліджень - додаток фізики до астрономії: астрофізика і космологія. Триває розвиток теорії і її додатків, спрямованих на розширення засобів спостереження. Так, ще в 1931 р виникла радіоастрономія, інтенсивно застосовувалася з 1945 р У 1962 р з'явилася рентгенівська астрономія. У 70-ті роки XX ст. формується гамма-астрономія і нейтрино астрономія. З виходом людини в космос виникла позаатмосферна астрономія. В даний час в США, Європі і Японії створюються установки, які повинні покласти початок гравітаційно-хвильової астрономії, і таким чином буде освоєний останній відомий канал, по якому ми зможемо отримувати астрофізичної інформацію.

* * *

Вичерпати в одному розділі всі напрямки розвитку фізико математичних наук в минулому і сьогоденні, звичайно, неможливо. Підводячи підсумки, можна зробити наступні висновки.

По-перше, фізико-математичні науки (математика, фізика, астрономія) розвивалися протягом більше двох тисячоліть як єдиний комплекс, ядром якого є математика.

По-друге, становлення науковості досліджень в галузі фізико-математичного комплексу спочатку було пов'язано з витісненням міфологічних образів (чуттєво-наочних уявлень повсякденного досвіду, перетворених уявою) поняттями, в яких фіксуються безпосередні дані чуттєвого досвіду. Вони, в свою чергу, в подальшому замінюються поняттями, що описують підсумки наукової емпірії, т. Е. Експериментів, спостережень, вимірювань, зіставлень, класифікацій. Формується емпіричний об'єкт, що протистоїть чуттєвої реальності повсякденного досвіду. Систематизована сукупність емпіричних об'єктів утворює емпіричну дійсність як форму відображення об'єктивної реальності. Виникають перші феноменологічні теорії.

По-третє, зі становленням емпіричної дійсності в науковий опис входять конструктивізм (формування ідеальних моделей об'єктів, наділених доступними квантификации властивостями) і конвеіціалізм (введення понять заходи, шкали, пробного тіла та ін.). Зростання значущості умовних елементів в описі підвищує роль формалізації, логічної послідовності і несуперечності. Весь комплекс фізико-математичних наук звертається до прикладної математики.

По-четверте, з кінця XVII - початку XVIII ст., Складається так звана формальна реальність, т. Е. Система понять, що відносяться до теоретичного об'єкту математизированной науки. Теоретичний об'єкт-це конструируемая математична модель закономірний зв'язків і відносин пізнаваною реальності, своєрідна реконструкція її сутності. Сам по собі теоретичний об'єкт являє собою чисто математичну абстракцію, що співвідноситься через інтерпретацію з емпіричною дійсністю, і тільки через таке співвідношення набуває фізичний зміст. У той же час теоретичний об'єкт розглядається як вираження сутності емпіричної дійсності.

По-п'яте, з виходом науки на рівень теоретичних об'єктів створюються умови для складання фізичної картини світу. Вона являє собою узагальнену модель світу як формальної реальності, сконструйованої шляхом систематизації основних теоретичних понять фізико-математичних наук. Разом з тим фізична картина світу - не математична модель, а тлумачення її до рівня доступності для розуміння будь-яким дослідником в галузі фізико-математичних наук. Фізична картина світу з початку свого існування виконує світоглядну функцію для зводу фізико-математичних наук, і тому будь-які великі відкриття і фундаментальні зміни в науці супроводжуються філософськими дискусіями навколо картини світу.

По-шосте, розвиток фізико-математичних наук на рівні формальної реальності пов'язано зі зростанням її абстрактності, з прогресуючою математизацией. Математика з засоби фіксації, засоби опису перетворюється в найважливіший інструмент дослідження, який має великий евристичний потенціал. Із зростанням абстрактності математичних моделей дійсності емпірична інтерпретація витісняється семантичної, а теоретичні побудови лише опосередковано пов'язані з областю наукової емпірії.

І нарешті, по-сьоме, прогрес науки пов'язаний з неухильним зростанням строгості міркувань, регульованою склепінням формальних правил і парадигм. У той же час вимога однозначної точності, висуває спочатку, зберігає свою важливість в області прикладних досліджень, в галузі фундаментальних досліджень нормою стає наближеність, в основі наукової думки лежить імовірнісна логіка. Зростають роль і значення гіпотетичних почав в науці.

Рекомендована література

  • 1. Вернадський В. І. Вибрані праці з історії науки. М., 1981.
  • 2. Клайн М. Математика. Втрата визначеності. М., 1984.
  • 3. Клімтііп І. А. Астрономія вчора і сьогодні. Київ, 1977.
  • 4. Л'оцці М. Історія фізики. М., 1970.
  • 5. Пансккук А. Історія астрономії. М., 1966.
  • 6. Петров Ю. II. Лекції з історії прикладної математики. СПб., 2001..
  • 7. Стилі в математиці. Соціокультурна філософія математики. СПб., 1999..
  • 8. Стройк Д. Я. Короткий нарис історії математики. М., 1990..
  • 9. Уїтні Ч. Відкриття нашої Галактики. М., 1962.

  • [1] Клайн М. Математика. Пошук істини. М, 1988. С. 227.
  • [2] Дулов В. Г., Цибар В. А. Математичне моделювання в соврсмеіоместествознаніі. СПб., 2001. С. 3.
  • [3] Колмогоров А. Н. Математика. М., 1995. С. 29.
  • [4] Барабагіев А. Г. Коментар // Стилі про математику: соціокультурнаяфілософія математики. СПб., 1999. с.460.
  • [5] Герц Г. Передмова до механіки // Філософія науки. Пг., 1923. С.49.
  • [6] Гінзбург В. Л. Про теорії відносності. М., 1979. С. 122-123.
  • [7] Тихомиров В. М. Про деякі особливості математики XX століття // стилі математики. С. 447
  • [8] 10®Л'оцці М. Історія фізики. С. 32G.
  • [9] Там же. С. 385-386.
  • [10] Григор'єв В. І., Мякишев Г. Я. Широке Ю. М. Квантова механіка // Фізика мікросвіту. М., 1980. С. 46.
  • [11] Гінзбург В. Л. Про науку, про себе, про інших. М., 2001. С. 11.
 
<<   ЗМІСТ   >>