УОРНЕР—УПАНИШАДЫ                                                                       281 17 страница

Превращение Ф. в самостоят, науку обычно связы­вается с именем Галилея. Осн. задачей Ф. он считал эмпприч. установление количеств, связей между характеристиками явлений и выражение этих связей в матем. форме с целью дальнейшего исследования их матем. средствами, в роли к-рых выступали геомет-рич. чертежи и арнфметич. учение о пропорциях. Использование этих средств регулировалось сформу­лированными им осн. принципами и законами (прин­цип относительности, принцип независимости действия сил, закон равноускоренного движения и др.). Дости­жения Галилея и его современников в области Ф. движения (Кеплер, Декарт, Гюйгенс) подготовили почву для работ Ньютона, приступившего к оформле­нию целостного предмета механики в систему понятий. Продолжая методологич. ориентацию на принципы, а не на скрытые причины (hypothesis non lingo), Ньютон сформулировал три закона (аксиомы) дви­жения и вывел из них ряд следствий, трактовавших­ся прежде как самостоят, законы. Ньютоновские «Математические начала натуральной философии» подвели итоги работы по установлению смысла и ко­личеств, характеристик осн. понятий механики — «пространство», «время», «масса», «количество движе­ния», «сила». Для решения задач, связанных с дви­жением, Ньютон (вместе с Лейбницем) создал диффе­ренциальное и интегральное исчисления, одно из самых мощных матем. средств Ф. Начиная с Ньютона и вплоть до конца 19 в. механика трактуется как об­щее учение о движении (понимаемом как перемещение в пространстве) п становится магистральной линией развития Ф. С ее помощью строится Ф. взаимодействий, где конкурируют концепции близкодействия и даль­нодействия. Потребности концепции близкодействия вызвали к новой жизни антич. представления об эфире (Декарт). Успехи небесной механики, основан­ные на ньютоновском законе всемирного тяготения, способствовали победе концепции дальнодействия (согласно к-рой гравитац. взаимодействие между частицами вещества осуществляется мгновенно и непосредственно через пустоту с помощью дальнодей-ствующих сил). По образцу теории тяготения строи­лась и Ф. взаимодействий в области электричества и магнетизма (Кулон).

Успехи гидродинамики (Бернулли, Эйлер) способ­ствовали внедрению в Ф. идей непрерывности на ос­нове представлений о невесомых жидкостях (флюи­дах). Как флюиды трактовались электричество, маг­нетизм и теплота. Юнг и Френель развивали теорию света как волн в непрерывном эфире, также рассмат­ривавшемся как флюид. Начиная с Дальтона, введ­шего понятие атомного веса, атомистика отделяется от философии, а химия обретает статус фундаменталь­ной науки. Представления об атомах и молекулах, перенесенные из химии в Ф., постепенно вытеснили невесомые флюиды. Юнг (1816) дал первую количеств.

оценку размеров молекулы. Усилиями Бернулли, Клаузпуса, Максвелла была построена (в опоре на статистпч. представления) кинетич. теория газов, дальнейшее развитие к-рой Больцманом и Гиббсом позволило объяснить тепловые явления без помощи теплорода.

С Фарадея начинается интенсивное развитие Ф. электричества и магнетизма на основе идеи близко­действия. Переход от электростатики к электродина­мике (Фарадей, Эрстед, Ампер) позволил объединить электрические и магнитные явления. Фарадеевские представления о поле как особом состоянии эфира были оформлены Максвеллом в строгую матем. тео­рию, к-рая с единой т. зр. трактовала электрические, магнитные и оптпч. явления.

К концу 19 в. Ф. представляла собой развитый комп­лекс дисциплин, объединенных идеей сохранения и превращения энергии (см. Сохранения принципы). Мн. ученым Ф. казалась принципиально завершенной наукой. Фнлос. фоном ее было механистич. мировоз­зрение, представлявшее собой синтез атомизма с докт­риной лапласовского детерминизма. Вероятностные представления статистпч. Ф. трактовались как все­цело обусловленные незнанием точных значений на­чальных импульсов п координат частиц, составляющих ансамбль. Электромагнитные явления многими еще не считались автономными — усилия большинства ученых были направлены на сведение их к механич. явлениям путем построения хитроумных моделей эфира.

Внутр. противоречия, возникшие при теоретич. объяснении результатов нек-рых опытов в рамках класснч. картины мира, привели к возникновению новых, неклассич. направлений релятивистской и квантовой Ф. Релятивистская Ф., возникшая из не­обходимости объяснить отрицат. результат опыта Майкельсона (спец. относительности теория) и фак­та равенства инертной и тяжелой массы (общая теория относительности), стала Ф. быстрых движений и силь­ных гравитац. полей. Квантовая теория, появивша­яся в связи с парадоксами объяснения наблюдаемого распределения энергии в спектре излучения абсолют­но черного тела (Планк, 1900) явлениями фотоэф­фекта (Эйнштейн, 1905) и противоречиями планетар­ной модели атома (Бор, 1913), стала общей теорией взаимодействия и движения микрообъектов. В связи с этим претерпела радикальные изменения вся физич. картина мира. В Ф. движения спец. теория относи­тельности (Эйнштейн, 1905) сделала ненужным пред­ставление об эфире как абс. системе отсчета. Это дало возможность и в Ф. взаимодействий отказаться от эфира и приписать полю самостоят, существование.

Сначала теоретически, а затем экспериментально и промышленно (ядерная энергетика) установленные связь массы и энергии (Е=тс²), а также зависимость массы движущегося тела от скорости его движения покончили с резким противопоставлением материи и движения, характерным для классич. Ф. Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и распространение принципа отно­сительности на электромагнитные явления показали относительность количеств, определенности прост­ранственных и врем, промежутков. Это привело к понятию единого четырехмерного пространственно-врем. континуума и ликвидировало разобщенность понятий пространства и времени, свойственную клас­сич. механике. Общая теория относительности (Эйн­штейн, 1916), интерпретировавшая поле тяготения как искривление пространства-времени, обусловленное наличием материи, перекинула еще один мост от ма­терии п движения к взаимодействию.

Создание в 20-х гг. 20 в. квантовой механики, ос­нованной на представлении о дискретной природе дей-

ФИЗИКА

325

 

ствия (существование миним. кванта действия %) (Бор, Борн, Гейзенберг, де Бройль, Шрёдингер, Пау­ли и др.), привело к дальнейшему изменению представ­лений о движении и взаимодействии, сделав невоз­можным применение понятия траектории к анализу движения микрообъектов. Релятивистская квантовая механика (Дирак, Паули, Гейзенберг, В. А. Фок, Дайсон, Р. Фейнман, Ю. Швингер и др.), наряду с пространств.-врем, перемещением элементарных час­тиц, сохраняющим их тождественность п регулируе­мым законами сохранения энергии и импульса, стала рассматривать их взаимопревращения (см. Микро­частицы). Все эти, как и др. законы сохранения, являются в совр. Ф. следствиями общих свойств сим­метрии пространства-времени п взаимодействий.

В области структурной Ф. квантовые представле­ния привели к тому, что концепция абсолютно эле­ментарных, неделимых единиц структуры — атомов, уступила место представлениям об относительности понятий элементарности и сложности, о чем в свое время говорил еще Ленин. Релятивистская кванто­вая теория поля, объединив в едином понятии кванто­ванного поля понятия частицы и поля, преодолела резкое противопоставление пространств, дискрет­ности вещества (взаимодействующих частиц) и про­странств, непрерывности поля (переносчика взаимо­действия), характерное для класснч. Ф. и сохранив­шееся в нерелятивистской квантовой механике. Из­менились и др. связи структурной Ф. с Ф. взаимодей­ствий. В классич. Ф. (включая релятивистскую) ре­зультаты взаимодействия целиком определялись пространств.-врем, структурой взаимодействующих объектов (координатами и скоростями — для частиц, напряженностью или потенциалом в каждой точке пространства и законом изменения их во времени — для полей). Знание характеристик элементов структу­ры позволяло определить состояние системы в целом. Т. о., Ф. взаимодействий была логически вторичной по отношению к структурной Ф.

В современной квантовой Ф. дело обстоит наобо­рот — на первый план выдвинулась Ф. взаимодей­ствий и ответ на вопрос о строении микрообъектов определяется результатами взаимодействия данной микрочастицы с другими. В связи с этим существенно изменились требования к способу задания состояния микрообъектов в теории. Во-первых, волновая функ­ция относится к системе в целом. Во-вторых, энер­гетически-импульсные характеристики микрообъектов (потенциальные характеристики их взаимодействия) в квантовой механике являются логически равноправ­ными и, что особенно важно, независимыми по отно­шению к их пространств.-врем, характеристикам. Наиболее отчетливо логич. первичность взаимодей­ствия по сравнению с пространств.-врем, структурой проявляется в Ф. элементарных частиц. Если в Ф. атома и атомного ядра характеристикам взаимодей­ствия еще могут быть сопоставлены пространств.-врем, модели взаимодействующих объектов (типа боровских орбит, распределения плотности заряда в атомах, различных моделей ядра), дающие нек-рую пространств.-врем, картину механизма взаимодей­ствия, то в Ф. элементарных частиц это можно сделать в гораздо меньшей степени. Элементы структуры ато­ма (ядро и электроны) и атомного ядра (протоны п нейтроны) еще могут считаться существующими «в недрах» исходных частиц до взаимодействия, к-рое приводит лишь к перераспределению этих элементов. Элементарные частицы до взаимодействия могут рас­сматриваться состоящими из двух элементарных час­тиц лишь весьма условно. Это находит свое выражение в понятии «виртуальности» элементов структуры эле­ментарных частиц: виртуальные частицы как эле­менты структуры реальных элементарных частиц

характеризуют лишь возможные результаты порож­дения новых реальных элементарных частиц при вза­имодействии исходных реальных частиц. Еще более виртуальными являются т. н. квазичастицы в Ф. полупроводников и Ф. твердого тела, позволяющие трактовать возбуждение состояния макротел как результат существования, движения и взаимодей­ствия квазичастпц. Как п многие другие модельные представления, квазпчастицы служат для теоретич. объяснения макроскопически наблюдаемых явлений в твердых и жидких телах. Т. о., совр. теория струк­туры элементарных частиц приобретает существенно дннамич. характер. По сути дела, современная кван­товая Ф., вскрыв ограниченность пространств.-врем, описания микромира на языке классич. понятий коор­динаты и скорости, дала более глубокое его описание на языке ф-функции и ограничила свои задачи опи­санием и предсказанием всех возможных макроскопи­чески наблюдаемых результатов взаимодействия. Эта черта совр. Ф., считающаяся мн. учеными временной, наиболее ярко проявляется в формализме s-матрицы, представляющем собой физич. воплощение кпберне-тич. идей «черного ящика».

Совр. Ф. взаимодействий значительно расширила свою объектную область, включив в рассмотрение, наряду с гравитационными и электромагнитными, сильные (ядерные) и слабые (|3-распадные) взаимодей­ствия, проявляющиеся только в микромире. Факт наличия четырех существенно различных видов вза­имодействий постоянно поддерживает зародившиеся еще в классич. Ф., но пока безуспешные стремления построить общую теорию поля.

В статнстич. Ф., куда также проникли квантовые идеи о движении и взаимодействии, оформляется в самостоят, ветвь статистич. Ф. процессов (физич. кинетика).

Достижения Ф. в 20 в. значительно повлияли иа конкретные представления о смысле таких филос. категорий, как материя, движение, пространство и время. К числу фундаментальных достижений совр. Ф., имеющих общефилос. значение, относится также установление принципа относительности свойств ма­териальных объектов. Это связано с последоват. уче­том в понятийном аппарате теории роли материального окружения объекта (в первую очередь измерит, при­бора п системы отсчета) в деле определения этих свойств. Классич. Ф. считала свойства, обнаружива­емые при измерении, присущими объекту и только ему (принцип абсолютности свойств). Уже теория отно­сительности вскрыла количеств, относительность та­ких свойств объектов, как длина, время жизни, масса, зависящих, как оказалось, не только от самого объ­екта, но п от системы отсчета. Отсюда следовало, что количеств, определенность свойств объекта должна быть отнесена не к нему «самому по себе», а к системе «объект-}- система отсчета», хотя носителем качеств, определенности свойств по-прежнему оставался сам объект. Квантовая теория пошла еще дальше в этом направлении, выдвинув идею дополнительности (см. Дополнительности принцип). Существование допол­нит, свойств, не объяснимое с т. зр. принципа абсо­лютности свойств, получает естеств. объяснение с помощью принципа относительности свойств. С т. зр. последнего, термин «свойство объекта» следует рас­сматривать в плане «виртуальности» — как характе­ристику потенциальных возможностей объекта, к-рые реализуются только при наличии второго объекта, взаимодействующего с первым. С квантовой Ф. свя­зано также гораздо более широкое понимание при­чинности, опирающееся на отказ от характерного для классич. Ф. предположения, что в основе статис­тич. закономерностей всегда лежат однозначно опре­деленные дннамич. закономерности.

326                                                                                      ФИЗИКА

В концептуальных рамках релятивистской и кван­товой теорий развитие Ф., для к-рого характерны все более последоват. отказ от применимости классич. представлений «в малом», все более абстрактная ха­рактеристика состояния, все меньшая наглядность, продолжается и в наст, время. Принципы и представ­ления этих теорий служат фундаментом как для ре­шения прикладных физико-технических п пром. задач (строительства ускорителей, реакторов, термоядер­ных установок и атомных электростанций), так и для формирования новых представлений о структуре, взаимодействии и движении при экстраполяции прин­ципов на новые объектные области — в квантовой радиофизике, Ф. полупроводников, Ф. сверхпрово­димости, Ф. плазмы, астрофизике и т. д. Задача син­теза релятивистских и квантовых принципов является одной из основных и до сих пор не решенных задач Ф. элементарных частиц, представляющей передний крап современной теоретической и экспериментальной Ф.

В области экспериментальной Ф. осн. проблемы со­стоят, с одной стороны, в осуществлении целенаправ­ленных экспериментов по проверке гипотез о структу­ре, строении и взаимодействии элементарных частиц, выдвигаемых физиками-теоретиками. С др. стороны, ведется поиск технпч. средств, к-рьте позволили бы проверить справедливость квантовых п релятивист­ских принципов на новой объектной области, ранее не доступной экспериментальному изучению (экспе­рименты с частицами высоких энергий — встречные пучки, космич. лучи).

В теоретич. Ф. осн. круг собственно физпч. проб­лем связан с исследованием формальной структуры матем. аппарата, используемого в теории (попытки аксиоматизации теории поля, вопросы сходимости ряда в теории возмущений и т. п.). Осн. методами, используемыми в новейшей теоретич. Ф., являются теория поля, метод s-матрицы и теория групп. Они различаются как выбором матем. аппарата, так п предъявляемыми к нему требованиями. В теории поля, использующей для построения матем. моделей аппарат алгебры операторов в гильбертовом простран­стве, упор делается на строгое матем. осмысливание теории, а не на детальное сравнение с опытом. В основе метода s-матрицы лежит матем. аппарат теории функ­ций комплексного переменного. Оперирование матем. аппаратом производится без опоры на наглядные мо­дельные представления, на основе аксиоматпч. требо­ваний, предъявляемых к матем. характеристикам s-матрицы (аналитичность, унитарность и т. д.), свя­зывающей состояния до и после взаимодействия. Этот метод в его совр. виде занимает промежуточное положение между случаем, когда создание строгой теории признается более важным (как в теории поля), нежели использование ограниченных и формальных методов (как в теории групп), и случаем, когда поиск ведется вне рамок к.-л. единой методнч. концепции путем простого подбора тех или иных моделей с пос­ледующим отбрасыванием неудачных вариантов (как в ядерной Ф.).

Методы теории групп, основанные на учете связи типа симметрии состояния физич. объектов с инва­риантами групп преобразований, позволили построить ряд абстрактных теорий симметрии сильно взапмодей* ствующих частиц (адронов) — теорию 5Е/₃-симмет-рии, 5£/_в-симметрпи и т. п. Эти теории не используют никаких модельных представлений п опираются толь­ко на отвлеченные свойства групп. Будучи основаны на глубоких матем. идеях, подобно теории поля, ме­тоды теории групп, в отличие от нее, покоятся на проч­ной экспериментальной основе. Однако, выделяя только те аспекты природы, к-рые удается понять в рамках абстрактной симметрии, эти методы не дают возможности осмыслить численные значения времени

жизни частиц п характер их взаимодействий. Поэтому громадный объем экспериментальных фактов (в т. ч. все, относящиеся к легким частицам — лептонам) находится вне поля зрения этих методов. Все три упо­мянутых метода остаются слишком ограниченными, отрывочными и неопределенными и поэтому рассмат­риваются ведущими физиками как предварит, дости­жения на пути к более общей теории, способы пост­роения к-рой пока не ясны.

Методологпч. проблемы новейшей Ф. так или иначе связаны с анализом роли матем. аппарата в построе­нии фпзич. теорий. Это обусловлено существ, отли­чием характера использования математики в совр. Ф. В классич. Ф. теория обслуживала эксперимент, а матем. язык служил лишь рафинированным сред­ством описания эмпирич. связей п объяс­нения их с помощью разного рода моделей (напр., как в случае отношения эмпирич. законов Бойля— Мариотта, Шарля и Гей-Люссака к распределению Максвелла, основанному на атомно-молекулярной модели строения вещества). Совр. Ф. отличается ши­роким использованием математической гипотезы как метода исследования (хотя сам этот метод зародился уже в классич. Ф.), причем часто без опоры на модельные представления, руководствуясь почти исключительно матем. требованиями к характеру осн. уравнений. Это выдвигает теоретич. уровень ис­следования на первое место по сравнению с эмпири­ческим, за к-рым остаются только функции контроля— принципиальная проверка п количеств, уточнение результатов, полученных с помощью матем. гипотезы на теоретич. уровне. В случае успеха существование объектов или их характеристик, предположенное на теоретич. уровне, подтверждается эмпирически, что приводит к открытию новых частиц или эффектов. Именно таким путем были открыты в Ф. позитрон (первоначально предсказанный теоретически на ос­новании интерпретации результатов решения урав­нения Дирака)., несохраненне четности в слабых вза­имодействиях (опыты By по проверке гипотезы Ли и Янга), Q~-мезон (на основании предсказания теории 5Г/₃-симметрии). ?яд объектов, возможность существо­вания к-рых следует из нек-рых матем. гипотез, до спх пор экспериментально не обнаружены — гра-витац. волны (их существование вытекает из интер­претации результатов определ. способа решения урав­нений общей теории относительности), монополь Дирака (изолированный магнитный полюс, существу­ющий согласно интерпретации одного из вариантов матем. оформления электродинамики), кварки (ги-потетич. суперэлементарные частицы) и др.

Методологпч. тенденция, идущая от классич. Ф., предписывает искать для каждого матем. выражения, фигурирующего в теории, соответствующий ему фраг­мент физпч. реальности. Эта тенденция может быть названа онтологической, ибо в ней в качестве прин­ципа интерпретации провозглашается своеобразный принцип параллелизма между матем. формой и физич. содержанием теории. Согласно этому принципу, ма­тем. аппарат теории непосредственно отражает (изо­морфно или гомоморфно) объекты, свойства и отно­шения реального мпра как таковые, так что матем. символы являются знаками элементов реальности, а структура матем. выражений воспроизводит струк­туру реального мпра фпзич. объектов и их взаимо­действий.

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 290; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!