Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма

Введение

Представления о свойствах и закономерностях окружающей нас природы возникают на основе тех знаний, которые в каждый исторический период дают конкретные науки, изучающие определенные области явлений и процессов природы. Поскольку природа есть нечто единое целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой определенную систему. Такую общую совокупность научных знаний о природе издавна называют учением о природе или естествознанием.

Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной картины мира. Сам термин «картина мира» указывает на то, что речь здесь идет не о части или фрагменте мира, а о целостной концепции природы. Как правило, в формировании такой картины природы наибольшее значение приобретают фундаментальные понятия и законы наиболее развитых отраслей естествознания, которые в определенный исторический период выдвигаются в качестве основополагающей науки или лидера естествознания.

С течением времени ученые изучают огромнейшее количество различных процессов в природе, но не все из них поддаются изучению и объяснению. Безусловно, многое человеку еще не известно, а если известно, то может быть не объяснено сейчас. Тем не менее, наука идет вперед и общие (классические) концепции существования природы известны уже сейчас.

Целью данной работы будет выделить особенности корпускулярной и континуальной концепций, рассмотреть понятие корпускулярно – волнового дуализма для микрочастиц, а также описать статистические и динамические законы, на которых на сегодняшний день держится современная картина мира.

1 Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма

Становление естествознания относится к VII–IV вв. до н. э. и связано с греческой натурфилософией. В ней вырабатываются общие точки зрения на окружающий мир, ставятся вопросы о природе материи и духа, законах развития материального мира, о природе пространства и времени, движения и света. Возникают атомистика Левкиппа – Демокрита и натурфилософия Аристотеля, которые, по сути, обобщили античную натурфилософию и сформулировали две принципиально различные концепции взглядов на строение материи и развитие материального мира: так называемые корпускулярную (Демокрит) и континуальную (Аристотель).

По Демокриту материя состоит из вещества; вещество состоит из атомов-корпускул и пустоты; атомы находятся в постоянном движении; атомы вечны, неизменны, неделимы и отличаются друг от друга лишь величиной и формой.

По Аристотелю мир материален, объективно существуют конкретные вещи (предметы), а материя – некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы. Реальные тела можно дробить непрерывно, до бесконечности. Синонимом непрерывности является континуальность, т.е. материя непрерывна (континуальна) и «природа не терпит пустоты».

Две выдвинутые концепции на природу материи, по существу, определили всю дальнейшую историю развития естествознания, вплоть до XX в.

Корпускулярно-волновой дуализм. Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. Как считал И. Ньютон, свет представляет собой поток частиц – корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии света, легко было объяснить, что свет – волновое движение через некоторое необычное вещество, лишенное массы, – эфир.

Для физики начала XIX в. не существовало понятия о поле как реальной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой физики. Одновременно с возникновением волновой теории света формировалась совершенно новая парадигма физического исследования — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадлежит великому английскому физику М. Фарадею.

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Максвелл, который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. Так была открыта новая материальная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. материя предстает в виде двух форм –вещественной и полевой – с существенно разными свойствами: вещественная находит объяснение в корпускулярной, а полевая – в континуальной концепции.

В 1672 г. Ньютон изложил перед членами Лондонского королевского общества и свою новую корпускулярную концепцию света. В соответствии с этой концепцией свет представляет собой поток «световых частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и  взаимодействующих с телами на расстоянии. Корпускулярная теория  хорошо объясняла, аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.

Начало XX в. ознаменовалось открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта А. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна. При рассмотрении электромагнитного поля возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме.

Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX веке и вытекал из предшествующих представлений о свете.

Луи де Бройль, опираясь на законы симметрии в природе, в 1923 г. выдвинул идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, –электроны, протоны и т.д., и предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импульсом, энергией) обладают также волновыми свойствами.

Ньютон в свою очередь считал, что свет - поток корпускул, т. е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и интерференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.

Только в XIX веке  Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет - поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет - один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX века, благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.

Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства.

Согласно де Бролю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p, а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами.

Итак, корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание — принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира – квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций — вещества и полей и свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон – позитрон, протон – антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

2 Статистические  и динамические законы. Лапласовский  и вероятностный детерминизм

2.1 Соотношение  статистических и динамических  законов природы

Все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых колличественно. Динамическая теория — это теория, представляющая совокупность физических законов. Исторически первой и наиболее простой теорией такого рода явилась классическая механика Ньютона. Она претендовала на описание механического движения, то есть перемещения в пространстве с течением времени любых тел или частей тел относительно друг друга с какой угодно точностью.

Непосредственно законы механики, сформулированные Ньютоном, относятся к физическому телу, размерами которого можно пренебречь, материальной точке. Но любое тело макроскопических размеров всегда можно рассматривать как совокупность материальных точек и, следовательно, достаточно точно описать его движения. 
Поэтому в современной физике под классической механикой понимают механику материальной точки или системы материальных точек и механику абсолютно твердого тела.

Другим примером фундаментальной физической теории динамического характера может служить электродинамика Максвелла. Здесь объектом исследования является электромагнитное поле. Тогда уравнения Максвелла представляют собой уравнения движения для электромагнитной формы материи. При этом структура электродинамики в самых общих чертах повторяет структуру механики Ньютона. Уравнения Максвелла позволяют по заданным начальным значениям электрического и магнитного полей внутри некоторого объема однозначно определить электромагнитное поле в любой последующий момент времени.

Другие фундаментальные теории динамического характера имеют ту же структуру, что и механика Ньютона, и электродинамика Максвелла. К их числу относятся: механика сплошных сред, термодинамика и общая теория относительности (теория гравитации).

Статистические законы — это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин — главная задача статистических теорий. Вероятностные характеристики состояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы. Статистические закономерности и законы используют теорию вероятностей. Это наука о случайных процессах.

Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям.

2.2 Классический и вероятностный детерминизм

Наиболее ясная и точная формулировка сущности классического детерминизма принадлежит П. Лапласу, вследствие чего такой детерминизм часто называют также лапласовским детерминизмом. Лапласовский детерминизм основывается на представлении, согласно которому весь окружающий нас мир - это огромная механическая система, начальное состояние которой является точно заданным и в которой не делается никакого различия между движениями "величайших тел Вселенной и легчайших атомов".

Суть его можно понять из высказывания Лапласа:

Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами... Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением.