Дискретность – проблемный вопрос фундаментального естествознания. Дискретность и непрерывность материи Непрерывность и дискретность в природе кратко

Дискретность и непрерывность.

НЕПРЕРЫВНОСТЬ И ПРЕРЫВНОСТЬ - филос. категории, характеризующие как структуру материи, так и процесс её развития. Прерывность означает ʼʼзернистостьʼʼ, дискретность пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих её элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития. Она основывается на делимости и определ. степени внутр.
Размещено на реф.рф
дифференцированности материи в её развитии, а также на относительно самостоят. существовании составляющих её устойчивых элементов, качественно определ. структур, напр.
Размещено на реф.рф
элементарных частиц, ядер, атомов, молекул, кристаллов, организмов, планет, общественно-экономич. формаций и т.д. Непрерывность, напротив, выражает единство, взаимосвязь и взаимообусловленность элементов, составляющих ту или иную систему. Непрерывность основывается на относит. устойчивости и неделимости объекта как качественно определённого целого. Именно единство частей целого и обеспечивает возможность самого факта существования и развития объекта как целого. Т.о., структура к.-л. предмета͵ процесса раскрывается как единство Н. и п. Напр., совр.
Размещено на реф.рф
физика показала, что свет одновременно обладает и волновыми (непрерывными) и корпускулярными (прерывными) свойствами. Прерывность обеспечивает возможность сложного, внутренне дифференцированного, разнородного строения вещей, явлений; ʼʼзернистостьʼʼ, отделёниость того или иного объекта составляет крайне важно е условие для того, чтобы элемент данной структуры выполнял определ. функцию в составе целого. Вместе с тем прерывность обусловливает возможность дополнения, а также замены и взаимозамены отд. элементов системы. Единство Н. и п. характеризует и процесс развития явлений. Непрерывность в развитии системы выражает её относит. устойчивость, пребывание в рамках данной меры. Прерывность же выражает переход системы в новое качество. Одностороннее подчёркивание только прерывности в развитии означает утверждение полного разрыва моментов и тем самым потерю связи. Признание только непрерывности в развитии ведёт к отрицанию к.-л. качеств. сдвигов и по существу к исчезновению самого понятия развития. Для метафизич. способа мышления характерно обособление Н. и п. Диалектич. материализм подчёркивает не только противоположность, но и связь, единство Н. и п., что подтверждается всœей историей науки и обществ. практики.

НЕПРЕРЫВНОСТЬ И ПРЕРЫВНОСТЬ – категории, характеризующие бытие и мышление; прерывность (дискретност ь) описывает определœенную структурность объекта͵ его ʼʼзернистостьʼʼ, его внутреннюю ʼʼсложностьʼʼ; непрерывность выражает целостный характер объекта͵ взаимосвязь и однородность его частей (элементов) и состояний. В силу этого категории непрерывности и прерывности являются взаимодополняющими при любом исчерпывающем описании объекта. Важную роль категории непрерывности и прерывности играют также при описании развития, где они превращаются соответственно в скачок и преемственность.

В силу своей философской фундаментальности категории непрерывности и прерывности подробно обсуждаются уже в греческой античности. Факт движения связывает воедино проблемы непрерывности и прерывности пространства, времени и самого движения. В 5 в. до н.э. Зенон Элейский формулирует основные апории, связанные как с дискретной, так и с непрерывной моделями движения. Зенон показал, что континуум не может состоять из бесконечно малых неделимых (из точек), т.к. тогда величина бы складывалась из невеличин, из ʼʼнулейʼʼ, что непонятно, ни из конечных, имеющих величину неделимых, т.к. в данном случае, поскольку неделимых должно быть бесконечное множество (между любыми двумя точками найдется точка), это бесконечное множество конечных величин давало бы бесконечную величину. Проблема структуры континуума представляет собой тот проблемный узел, в котором неразрывно связаны категории непрерывности и прерывности. Причем то или иное понимание континуума в античности обычно истолковывается онтологически и соотносится с космологией.

Античные атомисты (Демокрит, Левкипп, Лукреций и др.) стремятся мыслить всю сферу сущего как своеобразную смесь дискретных элементов (атомов). Но довольно быстро происходит разделœение точек зрения физических атомистов, мыслящих атомы неделимыми конечными элементами, и математических атомистов, для которых неделимые не имеют величины (точки). Последний подход успешно использует, в частности, Архимед для нахождения площадей и кубатур тел, ограниченных кривыми и неплоскими поверхностями. Абстрактно математический и физикалистский подходы еще не чересчур рельефно разделœены в античной мысли. Так, вопрос о природе треугольника, из которых в ʼʼТимееʼʼ Платона складываются многогранники элементов, остается дискуссионным (проблема в том, что здесь из плоскостей складываются трехмерные элементы, ᴛ.ᴇ. , вероятно, имеет место математический атомизм). Для Аристотеля непрерывное не может состоять из неделимых частей. Аристотель различает следующее по порядку, соприкасающееся и непрерывное. Каждое следующее в данном ряду оказывается спецификацией предыдущего. Существует следующее по порядку, но не соприкасающееся, напр.
Размещено на реф.рф
ряд натуральных чисел; соприкасающееся, но не непрерывное, напр.
Размещено на реф.рф
воздух над поверхностью воды. Стоит сказать, что для непрерывности крайне важно, чтобы границы соприкасающихся совпадали. Для Аристотеля ʼʼвсœе непрерывное делимо на части, всœегда делимыеʼʼ (Физика VI, 231b 15–17).

Еще острее вопрос о природе континуума обсуждается в средневековой схоластике. Рассматривая его в онтологической плоскости, сторонники и противники континуальной космологии относят другую возможность истолкования в сферу субъективного, только мыслимого (или чувственного). Так, Генрих Гентский утверждал, что существует собственно лишь континуум, а всœе дискретное, и прежде всœего число, получается ʼʼотрицаниемʼʼ, через проведение границ в континууме. Николай из Отрекура, напротив - считал, что хотя чувственно данный континуум и делим до бесконечности, в действительности же континуум состоит из бесконечного числа неделимых частей. Укреплению аристотелœевского подхода к континууму служили дискуссии средневековых номиналистов (У. Оккам, Григорий из Римини, Ж.Буридан и др.). ʼʼРеалистыʼʼ понимали точку как онтологическую реальность, лежащую в базе всœего сущего (Роберт Гроссетест).

Традицию физического атомизма – ʼʼлинию Демокритаʼʼ – подхватывает в 16 в. Дж.Бруно. Атомистика же Галилея в 17 в. носит явно математический характер (ʼʼлиния Архимедаʼʼ). Тела у Галилея состоят из бесконечно малых атомов и бесконечно малых промежутков между ними, линии строятся из точек, поверхности – из линий и т.д. В философии зрелого Лейбница была дана оригинальная интерпретация соотношения непрерывности и прерывности. Лейбниц разводит непрерывность и прерывность по разным онтологическим сферам. Действительное бытие – дискретно и состоит из неделимых метафизических субстанций – монад. Мир монад не дан непосредственному чувственному восприятию и открывается только размышлением. Непрерывное же является основной характеристикой лишь феноменального образа Универсума, т.к. он наличествует в представлении монады. В действительности части – ʼʼединицы бытияʼʼ, монады – предшествуют целому. В представлениях же, данных в модусе пространства и времени, целое предшествует частям, на которые это целое можно бесконечно делить. Мир непрерывного не есть мир действительного бытия, а мир лишь возможных отношений. Непрерывны пространство, время и движение. Более того, принцип непрерывности является одним из фундаментальных начал сущего. Лейбниц формулирует принцип непрерывности следующим образом: ʼʼКогда случаи (или данные) непрерывно приближаются друг к другу так, что наконец один переходит в другой, то крайне важно, чтобы и в соответствующих следствиях или выводах (или в искомых) происходило то же самоеʼʼ (Лейбниц Г.В. Соч. в 4 т., т. 1. М., 1982, с. 203– 204). Лейбниц показывает применение этого принципа в математике, физике, теоретической биологии, психологии. Проблему структуры континуума Лейбниц уподоблял проблеме свободы воли (ʼʼдва лабиринтаʼʼ). При обсуждении обоих мышление сталкивается с бесконечностью: в бесконечность уходит процесс нахождения общей меры для несоизмеримых отрезков (по алгоритму Евклида) и в бесконечность же простирается цепь детерминации лишь по видимости случайных (но на самом делœе подчиняющихся совершенной божественной воле) истин факта. Лейбницевской онтологизации границы между непрерывностью и прерывностью не суждено было стать господствующей точкой зрения. Уже X.Вольф и его ученики опять начинают дискуссии о построении континуума из точек. Кант, полностью поддерживая лейбницевский тезис о феноменальности пространства и времени, строит тем не менее континуалистскую динамическую теорию материи. Последняя существенно повлияла на Шеллинга и Гегеля, которые также выдвигали ее против атомистических представлений.

В русской философии на рубеже 19–20 вв. возникает противостояние ʼʼкульту непрерывностиʼʼ, связанное с именем математика и философа Н.В.Бугаева. Бугаев разработал систему миросозерцания, основанную на принципе разрывности как фундаментальном принципе мироздания (аритмология). В математике этому принципу соответствует теория разрывных функций, в философии – особый тип монужнологии, развитый Бугаевым. Аритмологическое мировоззрение отрицает мир как сплошность, зависящую только от самой себя и постижимую в понятиях непрерывности и детерминизма. В мире есть свобода, откровение, творчество, разрывы непрерывности – как раз те ʼʼзиянияʼʼ, которые отвергает принцип непрерывности Лейбница. В социологии аритмология в противовес ʼʼаналитическому мировоззрениюʼʼ, видящему во всœем только эволюцию, подчеркивает катастрофические аспекты исторического процесса: революции, перевороты в личной и общественной жизни. Вслед за Бугаевым подобные взгляды развивал П.А.Флоренский.

Дискретность и непрерывность. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Дискретность и непрерывность." 2017, 2018.

Как было уже сказано, строение материи интересует естествоиспытателей еще с античных времен. В Древней Греции обсуждались две противоположные гипотезы строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий мыслитель Аристотель. Она заключается в том, что вещество делится на более мелкие частицы и нет предела его делимости. По существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипотеза выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н.э.) в развита его учеником Демокритом, а затем его последователем философом - материалистом Эпикуром (ок. 341 -- 270 до н.э.) В ней предполагалось, что вещество состоит из мельчайших частиц -- атомов. Это и есть концепция атомизма - концепция дискретного квантового строения материи. По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Атомы - неделимые, вечные, неразрушимые элементы материи.

Реальность существования атомов вплоть до конца ХIХ в. подвергалась сомнению. В то время объяснения многих результатов химических реакций не нуждались в понятии атома. Для них, как и для количественного описания движения частиц, вводилось другое понятие - молекула. Существование молекул экспериментально доказано французским физиком Жаном Перреном (1870 -- 1942) при наблюдении броуновского движения. Молекула наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле - от двух (Н2, О2, HF, KCl и др.) до сотен, тысяч и миллионов (витамины, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты).

Неделимость атома как составной части молекулы долгое время не вызывала сомнений. Однако к началу ХХ в. физические опыты показали, что атомы состоят из более мелких частиц. Так, в 1897 г. английский физик Д. Томсон (1856-- 1940) открыл электрон -- составную часть атома. В следующем году он определил отношение его заряда к массе, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

Атомы химических элементов по сравнению с наблюдаемыми телами очень малы: их размер -- от 10 -10 до 10 -9 м, а масса - 10 -27 до 10 -25 кг. Они имеют сложную структуру и состоят из ядер и электронов. В результате дальнейших исследований выяснилось, что и ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, т. е. имеют дискретное строение. Это означает, что концепция атомизма для ядер характеризует структуру материи на ее нуклонном уровне.

В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и другие виды материи --- физическое поле и физический вакуум имеют дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющуюся пространственно-временную среду с ячейками размером 10 -35 м и временем 10 -43 с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и т. п., считая пространство и время непрерывными.

Основной вид материи -- вещество, находящееся в твердом и жидком состояниях, -- воспринимается обычно как непрерывная, сплошная среда. Для анализа и описания свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако то же вещество при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнитного излучения и т. п., рассматривается как дискретная среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Дискретность и непрерывность присущи и для другого вида материи -- физического поля. Гравитационное, электрическое, магнитное и другие поля при решении многих физических задач принято считать непрерывными. Однако в квантовой теории поля предполагается, что физические поля дискретны.

Для одних и тех же видов материи характерна и непрерывность, и дискретность. Для классического описания природных явлений и свойств материальных объектов достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов -- ее дискретные свойства. Непрерывность и дискретность -- неотъемлемые свойства материи.

Николай Александрович Загайнов , заведующий кафедрой,

«Народный Академический Университет Эволюции Разума», Украина.

Участник конференции

Анализ достижений и выводов фундаментальной науки по вопросу дискретности элементарных частиц. Предлагается новый вариант понимания дискретности.

Ключевые слова : дискретность, элементарные частицы, полевая и вещественная материя.

Постепенное накопление результатов опытов и наблюдений, которые классическая физика объяснить не могла, к началу ХХ века привело к кризису в фундаментальной науке. «Развитие науки показало ограниченный характер существовавшей до тех пор физической картины мира. Начался пересмотр целого ряда понятий, выработанных прежней классической физикой» . Кризис в естественнонаучной фундаментальной науке со второй половины ХХ века на фоне бурного развития прикладных направлений стал более явным. Отставание фундаментального миропонимания тормозит развитие цивилизации и приводит к неоправданно большим затратам на научные исследования. Все открытия в прикладных исследованиях сделаны случайно методом перебора вариантов. А с точки зрения научного метода, фундаментальная наука должна подсказывать прикладной науке, где искать и что предполагается обнаружить. Одна из основных проблем в науке, с точки зрения автора статьи, является недопонимание сути дискретности. Рассмотрим историю появления и развития понятия дискретность.

Дискретность (лат. слово discretus - «разделенный», «прерывистый»). Это прерывность; противопоставляется непрерывности. У древнегреческого философа Демокрита, мы можем найти гипотезы о существовании амеров (в понимании современных философов, мельчайших, точечных частей пространства), атомов (мельчайших частиц вещества, не делящихся дальше), как первоосновы мира. С появления понятий амеры и атомы начинается развитие атомизма, - как учения о дискретности строения мира.

«В основе философии Демокрита лежит учение об атомах и пустоте как двух принципах, порождающих многообразие космоса. Пустота в системе миропонимания Демокрита выступает как принцип дискретности, множества, движения атомов и как их бесконечное «вместилище». Демокрит называет пустоту небытием. Понятие бытия и небытия включены у него в более общее понятие ”то, что на самом деле”, благодаря которому реальность существования признавалась и за пустотой или небытием» . В философии Демокрита понятие ”то, что на самом деле” соответствует современному понятию «реальность», в которую равноправно входят состояния бытие и небытие или их чередование.

У другого философа античности Платона ссылок на Демокрита вообще нет, как если бы этот мыслитель и его старший современник, вовсе не существовал. «В понимании Платона небытие существует как "природа иного, т.е. как инобытие"». Платон отстаивает принцип существования

«не сущего». Небытие, как считает Платон, нельзя считать несуществующим, оно существует, хотя и в особом модусе . (Мо́дус (от лат. modus) —образ, способ, вид существования или действия чего-либо. Философ Спиноза, например, полагал, что модусы - это различные состояния, которые принимает единая субстанция).

Смысл атомистической мысли античности состояла в том, что "бытие существует не более чем небытие". Если у Платона небытие существует в порядке природы "иного", то у Демокрита оно существует как пустота. У античных атомистов пустота это - "ничто", которое более поздний философ Аристотель и идущие вслед за ним комментаторы отождествили с "пространством" или "местом". Принимая изложенное выше во внимание, мы можем сказать, что первичные онтологические структуры природознания у Платона и у Демокрита, несмотря на различия, оказываются сопоставимыми. Значит, возможно допустить, что первичный источник информации, сформировавший основы миропонимания античных мыслителей, несмотря на разницу трактовки различными философами, был единым.

Краткий вывод.

В античной атомистике существуют три варианта понимания дискретности.

1. Дискретность как существование отдельных частиц - атомов (мельчайших частиц вещества, не делящихся дальше), как первоосновы мира.
2. Дискретность как одновременное существование двух равноправных состояний реальности бытия - атомов и небытия - пространства или пустоты
3. Дискретность как чередование бытия и небытия.

В 17—19 вв. идущие от античности представления об атомах как о “бытии” и об абсолютно пустом пространстве как о “небытии” порождали проблему связи атомов с континуальным (непрерывным) пространством как с простым вместилищем и связи их с континуальной физической средой. По мнению хорватского физика ХVIII века Руджера Бошковича, в этот период речь шла как бы о двух разных мирах: дискретный, структурированный мир атомов и пространства как силового поля. Одновременно формировались представления о структурированности и динамичности атомов и о дискретности пространства как “силового поля”. Атомы как бы превращались в особые точки этого пространства-поля, взаимодействие тел сводилось к движениям “эфира”, к его давлению на тела, что и составило механистическую концепцию поля.

После античных времён первое издание, содержащее термин дискретность, появилось в 1873 году в Англии, а в ХХ веке получило распространённое применение в фундаментальных и прикладных науках.

Краткий вывод.

В науке к началу ХХ века стало формироваться представление о дискретной структуре не только материи, но и пространства.

В начале XX века в ходе изучения атомов были обнаружены две группы явлений, которые невозможно было объяснить при помощи классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла. Первая группа явлений была связана с установлением в ходе опытов двойственной природы света; вторая - с невозможностью на основе классических представлений объяснить существование устойчивых атомов, а также их оптические спектры.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк, исходя из результатов экспериментов, высказал идею, что излучение и поглощение энергии носят дискретный характер, и что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а дискретными порциями-квантами.

В 1905 году, развивая идею Планка, основатель релятивистской физики Альберт Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету; а свет состоит из отдельных порций (дискретных частиц) - световых квантов, позднее названных фотонами. Кроме того, Эйнштейн обосновал идею квантования энергии - деление энергии на порции , т.е. идею дискретности. Несколько позже Эйнштейн обосновал дискретность электромагнитного поля и пришёл к выводу о полевой природе элементарных частиц: "... элементарные частицы материи по своей природе представляют собой не что иное, как сгущения электромагнитного поля..." .

В 1922 году американский физик Артур Комптон экспериментально доказал, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, то есть свет является одновременно и волной, и частицей.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме, по которой не только фотоны, но и все “обыкновенные частицы” (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее эта гипотеза была подтверждена экспериментально.

С открытием элементарных частиц обнаружилось единство дискретной и континуальной картины мира: электроны, как и другие микрочастицы, не соответствуют классическим представлениям об элементарной частице, атоме, корпускуле, они ведут себя в одних условиях как протяженная волна, в других - как строго локализованная частица. В целом, стало очевидным, что существовавшее в атомистической натурфилософии и физике с ее атомами и корпускулами, понимание устройства мира не является раз и навсегда установленным, а отражает лишь определенный этап в понимании устройства природы.

Краткий вывод. В науке стало постепенно формироваться представление об атоме и элементарных частицах как полевоэнергетических структурах, по терминологии Эйнштейна - «кванты энергии», или, другими словами, дискретных частицах энергии.

Поскольку атомы очень малы, выводы об их устройстве можно делать, в основном, путём анализа результатов воздействия на них. Иногда результаты экспериментов вызывали новые вопросы. Одной из загадок долгое время были особенности спектра водоро-да. Вид этого спектра говорил о том, что атомы водорода излучают энергию на определенных длинах волн и не про-являются на других. Будто электроны атомов обнаруживается то в одном, то в другом месте, но ни разу не были замечены в движении между ними. Никто не мог понять, почему так происходит.

В 1913 году датский физик Нильс Бор придумал вариант решения данной проблемы и предложил дополнить планетарную модель атома Резерфорда. Суть дополнения заключается в допущении, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых, они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. В статье «О строении атомов и мо-лекул» Бор высказал предположение, что электроны перемещаются с орбиты на орбиту, исчезая на одной и мгновенно возникая на другой, не появляясь в простран-стве между ними. Эта идея была названа «квантовым скачком». По мнению Бора, «кван-товый скачок» не только удерживал электроны от катаст-рофического спирального падения на ядро, но также объяснял странности с длинами волн в спектре водорода. Электроны появлялись только на определенных орбитах, потому что только на них могли существовать. Эта догадка принесла Бору Нобелевскую премию в 1922 году, через год после Эйнш-тейна.

В 1926 году немецкий физик Вернер Гейзенберг, на основании гипотезы Луи де Бройля о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме, создал новую дисциплину, которая получи-ла известность под названием квантовой механики. В ее основе лежал сформулированный Гейзенбергом принцип неопределенности, устанавливающий, что электрон явля-ется частицей, но такой, что ее можно описывать как волну. Неопределённость, на которой построена эта теория, состоит в том, что мы можем знать, как движется электрон в пространстве, или знать, где он находится в данный момент, но не можем знать то и другое вместе. Любая попытка определить одно, неминуемо нарушает оп-ределение другого. Это не вопрос применения более точ-ной аппаратуры, а неотъемлемое свойство Вселенной. Окончательное формирование квантовой механики, как последовательной теории, произошло после появления работ Н. Бора о принципе дополнительности.

В течение ХХ века физики изучали элементарные частицы, атомы и, в целом, материю, что отражено в учебниках, справочниках и физических энциклопедиях и опубликованных рефератах. Приведём несколько выдержек:

- «Весомая (вещественная) материя или составляющие ее элементарные частицы представляют овеществленную форму полевой материи - возбужденные состояния поля. Таким образом, элементарные частицы - это те же самые поля, только возбужденные, т.е. любая элементарная частица - это поле, находящееся в возбужденном состоянии» .

- «Существование дискретных энергетических состояний атомов является одной из самых характерных особенностей их свойств, оно доказано многочисленными опытами» ;

- «В современной физике электромагнитное поле рассматривается как особый вид материи, к которой применимы важнейшие понятия физики - энергия, импульс, масса» ;

- «Квантовая механика раскрывает два основных свойства вещества: квантованность внутриатомных процессов и волновую природу частиц» ;

- «... разделение материи на две формы - поле и вещество - оказывается довольно условным» ;

- «... поле реально существует и в этом смысле, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле обладает энергией, импульсом и другими физическими свойствами» ;

- «Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествлявшиеся в науке на протяжении многих веков. В классической физике вещество и поле физическое противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго — непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого представления»;

- «... согласно последовательной теории поля весомую материю или составляющие её элементарные частицы также следовало бы рассматривать как особого рода "поля", или особые "состояния пространства". Однако приходится признать, что при современном состоянии физики такая идея преждевременна, так как до сих пор все направленные к этой цели усилия физиков-теоретиков терпели провал. Таким образом, теперь мы фактически вынуждены различать "материю" и "поля", хотя и можем надеяться на то, что грядущие поколения преодолеют это дуалистическое представление и заменят его единым понятием, как это тщетно пыталась сделать теория поля наших дней» ;

- «Частица представляет собой предельный случай чисто полевого образования, при стремлении массы (или заряда) этого образования к постоянной величине. В этом предельном случае происходит возникновение корпускулярно-волнового дуализма и оптико-механической аналогии в чисто полевой теории» ;

- «Компоненты вращательного (вихревого) движения, присущи всему в природе - от элементарных частиц до Вселенной. Как выяснилось, фундаментальную роль в таком движении играют поля кручения пространства - торсионные поля, определяющие структуру материи любой природы» ;

Физический вакуум - это материальная среда, представляющая квантовое поле. «Очень важную роль играет состояние поля с наименьшей энергией, которое называется вакуумом» ;

Современная теория поля придерживается материалистических взглядов на природу физического вакуума, рассматривая его как невозбужденное состояние полевой материи. Физический вакуум, представляя полевую форму материи, может оказывать давление на вещественную материю, что наблюдается экспериментально в статическом эффекте Казимира. В 2011 году была обнаружена вязкость вакуума - динамический эффект Казимира (подробно в статье "Трение космических аппаратов о флуктуации вакуума").

«Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нем виртуальных частиц» .

Краткие выводы

1. Существуют две основные формы материи: поле и вещество, которым присуще свойство дискретности.
2. Материя создана вихревыми дискретными энергетическими потоками, что, в определенной степени, отражает единство природы вещества и поля.
3. Источником дискретных энергетических потоков (виртуальных частиц) является физический вакуум, который рассматривается как невозбужденное состояние полевой материи.

Для более ясного представления о свойствах, устройстве элементарных частиц и атомов обязательно необходимы наглядные модели. В результате физических исследований оказалось, что атом совсем не похож на модель Резерфорда - Бора. Электрон не летает вок-руг ядра, как планета вокруг Солнца, а, скорее, имеет бес-форменные очертания наподобие облака или напоминает лопасти крутящегося венти-лятора, умудряясь одновременно заполнять каждый кусо-чек пространства на своих орбитах (с одной существенной разницей, что если лопасти вентилятора только кажутся находящимися одновременно везде, электроны действи-тельно находятся сразу всюду). На практике это означает, что нельзя предсказать, где будет находиться электрон в каждый конкретный момент. «Скорлупа» ато-ма представляет собой не какую-то твердую блестящую оболочку, как порой подталкивают думать некоторые ил-люстрации, а просто наиболее удаленные от центра края этих, неясно очерченных, электронных облаков. Само об-лако — это, по существу, всего лишь зона статистической вероятности, обозначающая пространство, за пределы которого электрон очень редко выходит. Атом, если бы его можно было увидеть, скорее похож на очень нечет-ко очерченный теннисный мяч, чем на жесткий металли-ческий шар. Впрочем, он не очень похож ни на то, ни на другое, и вообще не похож ни на что из когда-либо виден-ного, и силь-но отличается от того, что мы наблюдаем вокруг. Физики поняли, что открыли мир, в кото-ром электроны могут перескакивать с орбиты на орбиту, не перемещаясь через разделяющее их про-странство. Более того, по предположению, приписываемому американскому физику Алану Лайтману (Alan Lightman) профессору Масса-чусетского технологического института, материя может возникать из физического вакуума «при условии, что она доста-точно быстро исчезает». Данная гипотеза перекликается с пониманием дискретности у Платона, как чередование бытия и инобытия.

На основании данной, нечётко описанной модели, возможно ли предложить гипотезу, объясняющую столь противоречивый образ - описание атома?

Наиболее подходящая для данного случая подсказка, по мнению автора статьи, изложена в гипотезе исследователя Ю.Г. Иванова «Мерцающий мир…». Описанный выше наглядный образ атома объясняется мерцанием или, другими словами, дискретным «появлением и исчезновением вихрей электронов с прецессионным сдвигом координат их появления в пространстве и времени» .

Именно этим процессом объясняется то, почему электроны перескакивают с орбиты на орбиту, не перемещаясь через разделяющее их про-странство. Фактически, в данной гипотезе даётся понимание дискретности, перекликающееся с представлениями античных атомистов, а именно: как появление и исчезновение, а не просто как одновременное чередование бытия и небытия - существование в атоме ядра и электрона, а между ними небытие - пустота. Создатель данной гипотезы не основал научную школу, как сообщество людей, способных практически проводить научные исследования, а не только объяснять свойства природы. Этого не произошло по объективным причинам.

Краткий вывод.

В современной науке существует вариант понимания дискретности - как появления и исчезновения элементарных частиц.

Изобразим варианты понимания дискретности более наглядно на графике.

На данном графике (рис.1)изображены два варианта дискретности.

1. Дискретные (прерывистые) энергетические частицы - атомы, имеющие волновую природу.
2. Дискретность как одновременное существование двух равноправных состояний реальности бытия - атомов и небытия - пространства или пустоты.

Если третий вариант дискретности, понимаемый как чередование бытия и инобытия или, другими словами, появление и исчезновение, изобразить на графике (рис.2), то наглядно видно, что частицы энергии, как волны, дискретно проявляются, а потом исчезают.

Если в природе существует именно третий вариант дискретности, то для того, чтобы появился атом, необходимо, чтобы в одной точке пространства дискретно одновременно проявились все элементарные частицы, входящие в состав данного атома. Значит, атом дискретно проявляется и исчезает. Для того, чтобы появилось вещественное мироздание, необходимо одновременное дискретное появление и исчезновение всего вещества Вселенной.

Краткий вывод:

На основании понимания дискретности как появления и исчезновения, возможно сформулировать гипотезу о дискретном появлении и исчезновении элементарных частиц, атомов и всего вещественного мироздания.

Частота появления и исчезновения вещества нашего мира должна быть достаточно высокой, потому что дискретное проявление наши органы чувств воспринимают как непрерывное существование. Например, при последовательном показе на экране кинотеатра дискретных позитивных изображений со скоростью 24 кадра в секунду, отснятых на киноплёнке, мы воспринимаем изображение как непрерывно существующее. Измерить частоту дискретного появления и исчезновения вещественного мира при помощи вещественных приборов, находящихся внутри дискретного (мерцающего) мира, невозможно, так как вещество приборов появляется и исчезает вместе с веществом всего мира.

Для принятия данной гипотезы к рассмотрению современной наукой, необходимо предложить опыт, позволяющий проверить данное предположение. Если такой опыт невозможно придумать, то данная идея также, как и идея существования всемогущего бога, существование которого невозможно доказать или опровергнуть, не будет принята. По мнению автора статьи, вполне возможно допустить, что измерить частоту дискретности или мерцания нашего земного мира можно, если наблюдатель удалиться на достаточно большое расстояние от нашей планеты.

Вывод.

Современная наука вплотную подошла к пониманию дискретности, объединяющему все три варианта её понимания, предложенных в данной статье.

Допустимо предположить, что дискретность материи необходимо понимать как появление и исчезновение элементарных частиц и атомов, созданных потоком дискретных энергетических частиц, обладающих свойством кругового вихреобразного движения (спин), появляющихся из окружающего пространства (физического вакуума), и расширению данного понятия дискретности от микроуровня элементарных частиц до макромасштабов всей материи мироздания.

Новый вариант понимания дискретности, а также выводы, предложенные в данной статье, приводят к необходимости искать новый вариант миропонимания, в базисе которого будет наука, содержащая в своей парадигме данный вариант понимания дискретности.

Существует ли в нашем мире полноценная научная школа, способная изучать мироздание, с новым миропониманием, с новой наукой и новой парадигмой, включающей постулат о дискретности, понимаемый как появление и исчезновение материи? Да, существует. Она официально зарегистрирована как «Народный Академический Университет Эволюции Разума» (НАУ ЭРА) г. Одесса, Украина. С 2011 года НАУ ЭРА действует в рамках программы ЮНЕСКО «Непрерывное образование в интересах устойчивого развития» и проекта ООН «Академическое влияние».

Фактически, коллектив НАУ ЭРА осмысливает и частично формулирует в терминах и понятиях официальной науки информацию, которую постепенно получает от основателей НАУ ЭРА - представителей научной школы предшественников, «имеющей ХХ вековую историю развития» . В состав этой научной школы входили люди, практически, из всех европейских стран, но делиться своими знаниями и достижениями с остальным человечеством по объективным причинам не могли. Такая возможность появилась только с 2000 года.

НАУ ЭРА предлагает принципиально новое мировоззрение, новое решение проблем фундаментальных и прикладных наук, а также открывает поистине фантастические перспективы и возможности перед человечеством. Коллектив Университета на основании получаемой информации формулирует основы новой науки, названной в НАУ ЭРА Аксионтологией. Данная наука изучает мир, природу, все формы жизни и человечество как единую взаимосвязанную систему. При помощи Аксионтологии можно понять суть и причины любых процессов, происходящих в мире, предсказать их развитие, дать рекомендации для правительств. Аксионтология позволяет не только объяснить устройство мироздания, но и управлять природными процессами. Люди, участвующие в программах НАУ ЭРА, имеют возможность постепенно стать разумными сотворцами сначала в рамках земного мира, а потом и в масштабах Вселенной. Именно такие цели и задачи поставил перед человечеством Высший разум - Творец нашего мироздания.

Список литературы :

1. Ленин В.И. Полное собрание сочинений, статья «Материализм и эмпириокритицизм» т-18, стр. 326 www.vilenin.eu
2. Реферат на тему «Взаимосвязь онтологии и физики в атомизме Демокрита на примере анализа понятия пустоты». http://www.coolreferat.com/Взаимосвязь_онтологии_и_физики_в_атомизме_Демокрита_на_примере_анализа_понятия_пустоты_часть=2
3. Шичалин Ю.А. «Платон» // Философский энциклопедический словарь. М., 1983. С. 497.
4. Физический энциклопедический словарь - М.: Сов. Энциклоп., 1984. - 944с.
5. Эйнштейн А.. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.689
6. Алеманов С. Б. Реферат «Полевая природа материи» http://www.scorcher.ru/art/theory/alemanov/field.htm#pole.

1. В.Ф. Дмитриева. «Основы физики» 2001г. стр. 413
2. Кабардин О.Ф. «Физика» 1991. С.337
3. Сивухин Д.В. «Общий курс физики». «Электричество». 1996. Т.3. Ч.1.
4. Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров.1983. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/330/ВЕЩЕСТВО

1. Шипов Г.И. «Квантовая механика, о которой мечтал Эйнштейн, следует из теории физического вакуума». - Препринт № 20 - М.: МНТЦ ВЕНТ, 1992г.- 64 с.
2. Шипов Г.И. «Геометрия абсолютного параллелелизма» - Ч. 1. - Препринт № 14. - М.: МНТЦ ВЕНТ, 1992г. - 62 с.
3. Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.
4. Википедия. http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Казимира
5. Ю.Г. Иванов «Мерцающий мир. Гипотеза ускользающей реальности или эволюция человека в Природе» http://bugor.lg.ua/Avtor_Uchitel/merts1.htm
6. Шарашов В.Е. (Лиас) «Рыцари с поднятым забралом» Одесса, 2003г. ООО Автограф

Введение………………………………………………………… ………………...3

Понятие дискретности и непрерывности…………………………………4
Электромагнитная картина мира: вещество

и электромагнитное поле…………...................... .............................. ..........6

Теория электромагнитного поля Дж. Максвелла……………………….10
Электромагнитные волны………………………………………………...11
Электронная теория Лоренца…………………………………………….13

Введение

Дискретность и непрерывность – две категории, характеризующие как структуру материи, так и процесс её развития. Дискретность (прерывность) означает «зернистость», делимость пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих её элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития. Непрерывность выражает единство, взаимосвязь и взаимообусловленность элементов, составляющих ту или иную систему определённой степени сложности.
Непрерывность основывается на относительной устойчивости и неделимости объекта как качественно определённого целого. Именно единство частей целого и обеспечивает возможность самого факта существования и развития объекта как целого. Таким образом, структура какого-либо предмета, процесса раскрывается как единство прерывности и непрерывности.
Прерывность обеспечивает возможность сложного, внутренне дифференцированного, разнородного строения вещей, явлений. А «зернистость», делимость того или иного объекта составляет необходимое условие для того, чтобы элемент данной структуры выполнял определённую функцию в составе целого. Вместе с тем прерывность обусловливает возможность дополнения, а также замены и взаимозамены отдельных элементов системы.
Эти два понятия являются основополагающими для дискретного и непрерывного мира классической физики, в связи с чем целью данной работы является раскрытие данных понятий; изучение электромагнитной картины мира; исследование характера электромагнитных полей и электромагнитных волн; кроме того, в задачи данной работы входит анализ практической значимости представлений классической физики на современном этапе.

Понятие дискретности и непрерывности

Электромагнитная картина мира: вещество и электромагнитное поле

Теория электромагнитного поля Дж. Максвелла

Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми не только к изучению свойств и особенностей пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами. К ним относят электроны, протоны, нейтроны и подобные им объекты, которые часто называют также атомными частицами. Они образуют невидимый нами микромир, и поэтому свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного, окружающего нас макромира. Планеты, звезды, галактики, кометы, квазары и другие небесные тела образуют мегамир.

Переходя к изучению свойств и закономерностей микромира, необходимо сразу же отказаться от привычных представлений, которые навязаны предметами и явлениями знакомого нам макромира. Конечно, сделать это нелегко, ибо весь наш опыт и представления возникли и опираются на наблюдения обычных тел, да и сами мы являемся макрообъектами. Поэтому требуются немалые усилия, чтобы преодолеть наш прежний опыт при изучении микрообъектов. В этих целях для описания поведения микрообъектов широко используются абстракции и математические методы исследования.

В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в микромире. Попытки описать, а тем более объяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения в конце концов привели к возникновению новой квантовой механики, в построение и обоснование которой значительный вклад внесли Э. Шрёдингер (1887-1961), В. Гейзенберг (1901-1976), М. Борн (1882-1970). В самом начале эта механика была названа волновой в противоположность обычной механике, которая рассматривает свои объекты как состоя-

щие из корпускул, или частиц. В дальнейшем за механикой микрообъектов утвердилось название квантовой механики.

6.1. Дискретность физических величин и открытие кванта энергии

В классической физике вплоть до начала XX в. господствовало представление, что величины, с которыми она имеет дело, имеют непрерывный характер. Открытие М. Планком дискретного характера излучения и поглощения энергии коренным образом изменило господствующее представление о непрерывном характере физических процессов. Изучая процесс излучения абсолютно черного тела, Планк, чтобы согласовать свои расчеты с результатами эксперимента, вынужден был вопреки своим представлениям допустить, что энергия излучается отдельными, дискретными порциями. Наименьшую дискретную единицу энергии он назвал квантом, величина которой равна: E=hv , где h обозначает фундаментальную постоянную величину, получившую впоследствии название постоянной Планка, a v - частоту излучения энергии. Квант энергии обладает импульсом, величина которого определяется формулой: р =mw , где т обозначает массу, a w - скорость.

Открытие кванта энергии нашло неожиданное подтверждение в открытии фотоэффекта, которое подвергло сомнению утвердившуюся в оптике теорию о свете как разновидности электромагнитных колебаний. Таким образом, в учении о свете мы ясно прослеживаем смену дискретных представлений, когда свет рассматривали как поток отдельных корпускул, сначала представлениями волновыми, непрерывными, а впоследствии - снова дискретными. Однако при этом происходит не простое отрицание прежних теорий новыми, а качественное их преобразование, в результате чего новые теории включают в свой состав позитивные моменты прежних теорий. Так, например, волновая теория света, опирающаяся на понятие непрерывности, не отбросила целиком корпускулярную теорию, основанную на идее дискретности, а стала рассматривать ее как частный, предельный случай. В еще большей мере это относится к квантовой теории света, в которой такие дискретные величины, как квант света и импульс, рассматриваются во взаимосвязи с величинами непрерывными, волновыми, какими являются частота и длина волны. Эта особенность находит воплощение в самом выражении энергии светового кванта через ее частоту: E=hv . Этот процесс развития научных представлений о свете посредством отрицания прежних дискретных представлений непрерывными, а непрерывных дискретными в философской литера-

туре часто рассматривается как один из примеров диалектического отрицания, известного как «отрицание отрицания» в развитии научного познания.

Для нас важно обратить внимание на то, как в процессе развития науки величины и свойства, казавшиеся раньше непрерывными, со временем становятся дискретными, или прерывными. Возникновение квантовой физики служит тому убедительным примером.

6.2. Революция в естествознании и возникновение учения о строении атома

Гипотеза об атомах как последних неделимых частицах вещества впервые возникла, как известно, в Древней Греции. Впоследствии она была возрождена в европейской науке для объяснения множества вновь открытых эмпирических законов в физике и химии. Такие законы, как закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел в физике, закон Дальтона о постоянстве состава веществ в химии и различные другие, лишь устанавливают необходимую связь между наблюдаемыми свойствами тел, но не объясняют, почему такая связь существует. В самом деле, закон Бойля-Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не раскрывает причину такой зависимости. Аналогично этому при нагревании тела его размеры увеличиваются, но этот эмпирический закон теплового расширения тел не объясняет, почему происходит такое расширение.

Очевидно, что для подобного объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим законам. В отличие от эмпирических законов теоретические законы содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в молекулярно-кинетической теории вещества убедительно объясняются все перечисленные и другие эмпирические законы. Действительно, чтобы ответить на вопрос: почему объем газа увеличивается вдвое, когда его давление уменьшается во столько же раз, мы представляем себе газ, состоящий из огромного числа атомов или молекул, движущихся беспорядочно в разных направлениях и с разной скоростью. Непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давления газа мы истолковываем как увеличение свободного пробега составляющих его атомов или молекул,

вследствие чего возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому расширение тел при нагревании объясняют увеличением средней скорости движущихся молекул.

Таким образом, свойства наблюдаемых нами тел и законов их поведения объясняются с помощью простых свойств невидимых атомов и молекул. При этом свойства более сложных образований, какими являются молекулы, объясняются также с помощью атомов, так что атомы оказываются последними, далее неразложимыми частицами вещества, или химических элементов. Поэтому атом в химии обычно рассматривают как наименьшую часть вещества или, точнее, определяют как химический элемент.

Однако попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей явлений окружающего мира к более простым свойствам вряд ли могла оказаться успешной. Ведь на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые частицы материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике в конце XIX - начале XX в. привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить прежде всего обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают особые радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге - в свинец. Именно так истолковали радиоактивные превращения английские физики Э. Резерфорд (1871- 1937) и Ф. Содди (1877-1956). Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными и неделимыми кирпичиками мироздания. Поэтому после этих открытий были предприняты многочисленные попытки понять и объяснить строение и структуру атома.

В 1913 г. Э. Резерфорд, исследуя действие на атомы альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами, показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части - ядре, так как вдали от него альфа-частицы проходят беспрепятственно. Напротив, небольшое число частиц резко меняет свое направление, когда проходит вблизи центральной его части. Это побудило Резерфорда предположить, что положительно заряженные альфа-частицы отталкиваются от ядра, несущего, по-видимому, также положительный заряд.

Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного положительно заряженного ядра по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Сами электроны были открыты в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном, который предложил первую модель строения

атома. Согласно этой модели, атом представлялся в виде сгустка материи, в который вкраплены, подобно изюму в пудинг, электроны. В целом же атом рассматривался как электрически нейтральный объект. Но такая модель была совершенно не в состоянии объяснить результаты экспериментов Резерфорда, и поэтому он выдвинул свою планетарную модель, в которой электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Впоследствии эта модель была значительно модифицирована выдающимся датским физиком Н. Бором (1885-1962) и другими учеными. Оказалось, что модель Резерфорда противоречит принципам электромагнитной теории, согласно которым электроны, вращаясь вокруг ядра, должны излучать энергию и в конце концов упасть на него и разрушить атом. Ничего подобного в действительности не наблюдается, поскольку требуются огромные усилия, чтобы разрушить атом.

Чтобы разрешить возникшее противоречие, Н. Бор впервые заявил, что принципы электромагнитной теории неприменимы для исследования микромира, и предложил внести изменения в планетарную модель атома. Эти изменения он сформулировал в виде двух постулатов, которые впоследствии стали называть постулатами Бора.

Первый постулат устанавливает, что в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Им соответствуют стационарные орбиты, двигаясь по которым электроны не излучают электромагнитную энергию.

Второй постулат утверждает, что при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом испускает энергию, равную одному фотону.

где E n и Е т обозначают значения энергий соответствующих стационарных орбит, a hv - энергию фотона.

Переход электрона с более удаленной орбиты на орбиту, более близкую к ядру, сопровождается поглощением фотона, противоположный переход - испусканием фотона.

Эти теоретические предположения Н. Бора были экспериментально подтверждены опытами Г. Герца и Д. Франка. Поэтому видоизмененная модель строения атома, названная моделью Резерфорда-Бора, получила всеобщее признание в науке. Однако эта модель все еще сохраняла связь со старыми, классическими представлениями. Поэтому необходимо было создать совершенно новую, неклассическую теорию, которая могла бы с принципиально иных позиций объяснить все накопившиеся экспериментальные результаты.

Такой новой фундаментальной теорией и стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.

6.3. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов

Обсуждение необычных свойств микрообъектов начнем с описания экспериментов, посредством которых впервые было установлено, что эти объекты в одних опытах обнаруживают себя как материальные частицы, или корпускулы, в других - как волны.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан именно с распространением корпускулярно-волнового дуализма на мельчайшие частицы вещества - электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительнее оказалось обнаружение существования у микрочастиц волновых свойств.

Первым гипотезу о наличии волновых свойств у микрочастиц материи высказал в 1924 г. известный французский ученый Л. де Бройль. По-видимому, он руководствовался при этом интуитивной идеей о симметрии между веществом и полем и особенно новыми взглядами на свет, элементарные объекты которого - фотоны - обладают одновременно волновыми и корпускулярными свойствами. Несмотря на коренное различие между веществом и полем, такая глубокая аналогия оказалась верной и послужила исходной точкой для разработки новой квантовой физики.

Гипотеза де Бройля состояла в следующем:

Каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы:

где - длина волны, р - импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость: р =mv, h - постоянная Планка.

Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927 г. американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером, впервые обнаружившими явление дифракции электронов на кристалле никеля. Как мы уже знаем, явление дифракции свидетельствует о типично

волновом характере явления. Впоследствии такая же дифракционная картина была обнаружена у протонов, нейтронов и других элементарных частиц при прохождении ими через дифракционную решетку.

Таким образом, было установлено, что как фотоны, т.е. кванты света, так и вещественные частицы, такие, как электрон, протон, нейтрон и другие, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это принципиально новое явление, названное впоследствии дуализмом волны и частицы, совершенно не укладывалось в рамки классической физики. Действительно, раньше считали, что объекты ее изучения могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами. В отличие от этого микрообъекты, имеющие квантовый характер, обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Например, в одних экспериментальных условиях электрон обнаруживает типично корпускулярные свойства, а в других - волновые свойства, так что его можно было назвать как частицей, так и волной. Тот факт, что поток электронов представляет собой поток мельчайших частиц вещества, знали и раньше, но то, что этот поток обнаруживает волновые свойства, образуя типичные явления интерференции и дифракции, подобно волнам света, звука или жидкости, оказалось полной неожиданностью для физиков.

Для лучшего понимания всех дальнейших вопросов проделаем такой мысленный эксперимент. Пусть мы имеем устройство, которое дает поток электронов, например электронную пушку. Поставим перед ней тонкую металлическую пластинку с двумя булавочными отверстиями, через которые могут пролетать электроны. Прохождение электронов через эти отверстия регистрируется специальным прибором, например счетчиком Гейгера или электронным множителем, подсоединенным к динамику. Если подсчитать количество электронов, прошедших отдельно через первое отверстие, когда второе закрыто, и через второе, когда первое закрыто, а потом через оба открытых отверстия, то окажется, что сумма вероятностей прохождения электронов, когда открыто отдельно одно из отверстий, а потом другое, не будет равна вероятности их прохождения при двух открытых отверстиях: где Р - вероятность прохождения электронов при двух открытых отверстиях, Р 1 - вероятность прохождения электронов при открытии первого отверстия, Р 2 - вероятность при открытии второго отверстия.

Это неравенство свидетельствует о наличии интерференции при прохождении электронов через оба отверстия. Интересно отметить, что если на прошедшие за экраном электроны воздействовать светом, то интерференция исчезнет. Следовательно, фотоны, из которых состоит свет, влияют на характер движения электронов и изменяют его.

Здесь перед нами совершенно новое явление, заключающееся в том, что всякая попытка наблюдения микрообъектов сопровождается изменением характера их движения. Поэтому любое наблюдение микрообъектов с помощью приборов и измерительных средств исследователя в мире мельчайших частиц материи сопровождается изменением их состояния. Конечно, влияние средств наблюдения на наблюдаемые объекты было известно ученым и в классической физике. Но оно никак не учитывалось в классических теориях. В квантовой же физике этим влиянием уже нельзя было пренебречь. Именно это обстоятельство вызывает обычно возражение со стороны тех, кто не видит различия между микро- и макрообъектами. В макромире, в котором мы живем, мы не замечаем влияния приборов наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, поскольку практически такое влияние чрезвычайно мало и поэтому им можно пренебречь. В этом мире как приборы и инструменты, так и сами изучаемые тела характеризуются тем же порядком величин. Совершенно иначе обстоит дело в микромире, где макроприбор не может не влиять на микрообъекты.

Другое принципиальное отличие микрообъектов от макрообъектов заключается в наличии у первых корпускулярно-волновых свойств, но наличие таких взаимоисключающих, противоречивых свойств у макрообъектов целиком отвергается сторонниками классической физики. Хотя классическая физика и признает обособленное существование корпускулярных свойств у вещества и волновых свойств у поля, но отрицает существование объектов, обладающих одновременно такими свойствами. Корпускулярные свойства она приписывает только веществу, а волновые - исключительно физическим полям (акустическим, гидродинамическим, оптическим или электромагнитным).

6.4. Статистическая природа законов квантовой физики

Принципиальное отличие квантовой физики от классической физики заключается прежде всего в том, что ее законы являются статистическими по своей природе, а предсказания имеют вероятностный характер. В классической механике, если заданы координаты и скорость тела, можно полностью описать его состояние в любой момент времени в будущем или прошлом. Соответственно этому предсказания здесь имеют вполне однозначный и достоверный характер.

В классических теориях, например в статистической физике, когда описывают поведение систем, состоящих из большого числа элементов, скажем молекул газа, также прибегают к статистическим методам. Но

здесь статистика используется скорее по практическим, чем чисто теоретическим соображениям. Действительно, описывая поведение молекул газа в сосуде, мы в принципе могли бы по их начальному состоянию, т.е. координатам и скоростям, вычислить их состояние в любой момент времени, как это делается для отдельных частиц в механике. Однако ввиду огромного числа молекул газа такой метод оказывается практически не только невыгодным, но и неосуществимым. Поэтому здесь поступают так, как и в любом статистическом исследовании. Можно установить, например, какое количество молекул в среднем будет обладать некоторой скоростью v и, опираясь на эти данные, с определенной вероятностью предсказать, как будет вести себя система в дальнейшем. Следовательно, такой усредненный подход статистики используется в данном случае для облегчения решения задачи.

Совершенно иначе обстоит дело в квантовой физике, поскольку в ней все законы являются статистическими по своему характеру и вероятностными по результатам предсказаний.

Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадет, например, электрон в определенном эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно лишь оценить его шансы попасть в определенное место, а следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределенных ситуаций. Независимо от того, описываем ли мы при этом движение отдельного электрона или целого их ансамбля, результат оказывается вероятностно-статистическим по своему характеру.

Подчеркивая это «очень важное различие между классической и квантовой механикой», видный американский физик Р. Фейнман признает, что «мы не умеем предсказывать, что должно было бы случиться в данных обстоятельствах».

«Мало того, - добавляет он, - мы уверены, что это немыслимо: единственное, что поддается предвычислению, - это вероятность различных событий. Приходится признать, что мы изменили нашим прежним идеалам понимания природы. Может быть, это шаг назад, но никто не научил нас, как избежать его!» 1

Идеалом классической механики было стремление к точному и достоверному предсказанию изучаемых явлений и событий. В самом деле, небесная механика, опираясь на этот принцип, дает на много лет вперед точные и достоверные прогнозы о солнечных и лунных затмениях, так же как и о прошлых затмениях.

1 Фейнмановские лекции по физике. Вып. 3. М., 1967. С. 214.

Ничего подобного не встречается в мире мельчайших частиц материи, о свойствах которых мы можем судить лишь косвенно по показаниям наших макроскопических приборов. Вот почему явления, происходящие в микромире, трудно поддаются пониманию не только людьми, впервые знакомящимися с ними, но и самими учеными, многие годы потратившими на их изучение.

6.5. Принцип неопределенности в квантовой механике

Этот принцип впервые сформулировал известный немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976) в виде соотношения неточностей при определении сопряженных величин в квантовой механике. Теперь его обычно называют принципом неопределенности. Суть его заключается в следующем: если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантово-механическом описании, например координаты х, то значение другой сопряженной величины, а именно импульса р = mv , нельзя определить с такой же точностью. Иначе говоря, чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем с меньшей точностью определяется другая величина. Это соотношение неточностей, или принцип неопределенности, выражается следующей формулой: , где - обозначает изменение или приращение координаты, - приращение импульса, - постоянную Планка.

Таким образом, принцип неопределенности постулирует:

Невозможно с одинаковой точностью определитьи положение,и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.

На практике, конечно, неточности измерения бывают значительно больше, чем тот минимум, который предписывает принцип неопределенности, но речь идет опринципиальной стороне дела. Границы, которые устанавливаются принципом неопределенности, не могут быть преодолены путем совершенствования средств измерения. Поэтому принцип неопределенности, по крайней мере, в настоящее время считается фундаментальным положением квантовой механики и неявно фигурирует в ней во всех рассуждениях. Теоретически не исключается возможность отклонения этого принципа и соответственно изменения связанных с ним законов квантовой механики, но пока он считается общепризнанным.

Из принципа неопределенности непосредственно следует, что вполне возможно осуществить эксперимент, с помощью которого

можно с большой точностью определить положение микрочастицы, но в таком случае импульс ее будет определен менее точно. Наоборот, если импульс микрочастицы будет определен с возможной степенью точности, тогда ее положение будет определено недостаточно точно.

В квантовой механике любое состояние системы описывается посредством так называемой волновой функции, но в отличие от классической механики эта функция определяет параметры ее будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Это означает, что для того или иного параметра системы волновая функция может давать лишь вероятностные предсказания. Например, будущее положение какой-либо частицы системы будет определено лишь в некотором интервале значений, точнее говоря, для нее будет известно лишь вероятностное распределение значений.

Таким образом, квантовая физика фундаментально отличается от классической физики тем, что ее предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний, к каким мы привыкли в классической механике. Именно эта неопределенность предсказаний больше всего вызывает споры среди ученых, некоторые из которых стали в связи с этим говорить об индетерминизме квантовой механики. Отметим, что представители прежней, классической физики были убеждены, что по мере развития науки и совершенствования измерительной техники законы науки станут все более точными и достоверными. Поэтому они верили, что никакого предела для точности предсказаний не существует. Принцип неопределенности, лежащий в основе квантовой механики, в корне подорвал эту веру.

Если поведение микрообъектов можно рассматривать как с корпускулярной, так и волновой точки зрения, то каким образом можно описывать их поведение в целом? Очевидно, что ни корпускулярная, ни волновая картина в отдельности не дают адекватного их описания.

В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств Н. Бор в 1927 г. выдвинул принцип дополнительности для квантово-механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена альтернативным волновым описанием. Действительно, в одних экспериментах микрообъекты, например электроны, ведут себя как типичные корпускулы, в других - как волновые структуры. Нельзя, конечно, думать, что волновые и корпускулярные свойства у них возникают вследствие определенных экспериментальных условий. На самом деле такие свойства при этих экспериментах только проявляются и обнаруживаются. Мы приходим, таким образом, к выводу, что дуализм микрообъектов, заключающийся в объединении в этом объекте одно-

временно волновых и корпускулярных свойств, представляет собой фундаментальную характеристику объектов микромира. Опираясь именно на эту характеристику, мы только и можем адекватно описать, понять и объяснить другие их особенности и микромира в целом.

В настоящее время принцип дополнительности пытаются использовать не только в квантовой физике, но и во всех тех случаях, когда приходится описывать явления или процессы с противоречащими свойствами. Следует, однако, иметь в виду, что в квантовой физике необходимость использования этого принципа обусловлена дискретной природой ее объектов и квантовым характером величин, которые применяются при их описании.

6.6. Философские выводы из квантовой физики

Новые открытия и теоретические результаты, полученные при исследовании мира мельчайших частиц материи, коренным образом отличаются от всего того, что считалось общепризнанным в классической физике и естествознании в целом. Поэтому в первое время немало ученых считали, что они не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное содержание физической науки.

Основная философская проблема квантовой механики заключается в интерпретации принципа неопределенности Гейзенберга и тесно связанного с ним статистического характера ее законов.

Если классическая физика исходила из предположения, что точность измерений может быть неограниченно увеличена, а физические законы будут формулироваться все точнее и точнее, то принцип неопределенности указывает теоретический предел этой точности. Хотя значения таких сопряженных квантово-механических величин, как координата и импульс частицы, при практических измерениях оказываются значительно больше теоретического предела, тем не менее этот предел нельзя не учитывать в принципе. Именно поэтому предсказания в квантовой механике всегда будут иметь вероятностный характер.

Чтобы яснее представить различие между классической и квантовой механикой, сравним, как используется в них статистический метод. Если в классической механике систему, состоящую из большого числа независимых частиц, изучают статистически по соображениям практического удобства, то квантовые системы в принципе нельзя изучать иначе.

Проблема неопределенности в квантовой механике теснейшим образом связана со специфическим характером объектов, которые

она изучает, и методами их исследования. Поэтому для их изучения пришлось обратиться, с одной стороны, к экспериментам, выявляющим их корпускулярный, а с другой - волновой характер. В этом, как известно, и состоит идея принципа дополнительности Н. Бора.

Другой специфической особенностью квантовых систем является та первостепенная роль, которую играет в них квант действия. Если в классической физике его воздействие настолько мало, что его можно не учитывать, то в квантовой механике он может изменить состояние системы. Это обстоятельство имеет важное значения для теоретического анализа воздействия прибора на изучаемый объект.

Что нового дает квантовая механика для решения этой проблемы?

Прежде всего, она ясно показывает, что физик, исследующий микромир своими макроприборами и измерительными устройствами, не может не воздействовать на мир мельчайших частиц материи, поскольку даже квант действия может изменить его состояние. Поэтому, стремясь точнее измерить один параметр состояния частицы, например координату, неизбежно вносят неточность в измерение другого параметра.

Из вышеизложенного вовсе не следует, что предсказания в области микромира совершенно невозможны. Речь идет только о том, что совершенно иная природа квантовых объектов, их дуалистический корпускулярно-волновой характер делают точные предсказания невозможными. Но даже в классической физике абсолютно достоверные предсказания осуществить нельзя. Тем более это относится к недоступному нашим чувствам сложнейшему миру мельчайших частиц материи. Поэтому не приходится удивляться тому, что после возникновения квантовой механики некоторые ученые заговорили о полной непредсказуемости будущего, господстве в мире неопределенности и случайности и даже о «свободе воли» электрона.

С философской точки зрения подобные ошибочные заявления объясняются неспособностью их авторов отказаться от прежних, утвердившихся представлений классической физики, относящихся к привычному миру нашего опыта, которые оказываются неприменимыми к совершенно новому миру микрочастиц материи.

Основные понятия и вопросы

Вероятность Дифракция частиц

Волна Дуализм волны и частицы

Дискретность Микромир

Дифракционная решетка Предсказания в микромире

Принцип неопределенности Фотоэффект

Статистические законы Элементарные частицы

1. Чем отличаются предметы исследования квантовой механики и механики классической?

2. Какие эксперименты доказывают существование волновых свойств у микрочастиц материи?

3. Существуют ли волновые свойства этих частиц отдельно от корпускулярных?

4. Что означает дуализм микрочастиц?

5. В чем сущность принципа дополнительности и где он применяется?

6. Почему принцип неопределенности служит фундаментом квантовой механики?

7. Какие величины называются сопряженными?

8. Ставит ли принцип неопределенности предел нашему познанию?

9. В какой форме выражаются законы квантовой механики?

10. Чем отличается квантовая статистика от статистики теорий классической физики?

11. Какие философские выводы можно сделать из результатов квантовой механики?

Литература

Основная:

Карнап Р. Философские основания физики. М, 2003. С. 361-370. Фейнмановские лекции по физике. М., 1967. С. 198-215, 232-235. Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики // Эйнштейн А. Собр. научных

трудов: В 4 т. Т. 4. С. 513-543.

Дополнительная:

Гейзенберг В. Физические принципы квантовой теории. Л.; М., 1932.

Дирак П. Принципы квантовой механики. М., 1960.

Физический энциклопедический словарь. М., 1983.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.