2.2. Материя.

Первое, что поражает воображение человека, когда он наблюдает окружающий мир, - это удивительное многообразие предметов, процессов, свойств и отношений. Нас окружают леса, горы, реки, моря. Мы видим звезды и планеты, восхищаемся красотой северного сияния, полетом комет. Разнообразие мира не поддается счету.

Тем не менее, у всех предметов и процессов внешнего мира есть такой общий признак: они существуют вне и независимо от сознания, отражаясь в наших ощущениях. Другими словами, они объективны. По этому признаку можно объединить и обобщить их в одном понятии - материя.

Материя существует объективно, т. е. независимо от представлений человека о ней.

Материя как субстанция: античные представления

Одними из первых проблему материи поставили древние греки. Как у многих народов, впервые освоивших металлургию и таким образом получивших первые наглядные представления о фазовых состояниях вещества, здесь возникает идея четырех основных состояний материи – твердого, жидкого, газообразного, огневого (земля, вода, воздух, огонь) и впервые ставится проблема, из чего все вещи состоят, из чего, как из первого, возникают и во что, как в последнее, они уничтожаются. Постановку этой проблемы традиционно приписывают Фалесу (первая половина VI в. до н. э.). Фалес считал, что началом вещей, их субстанцией (то, из чего возникают все вещи и во что они в конечном счете превращаются) является вода. По мнению Анаксимен, субстанцией мира является воздух. Все возникает из воздуха через его разряжение и сгущение. Разряжаясь, воздух становится огнем, а сгущаясь – ветром, облаками, водой, землей, камнем.

Демокрит считал, что бытие – это атомы, движущиеся в пустоте. Атом – неделимая, совершенно плотная, непроницаемая, невоспринимаемая чувствами (вследствие своей малой величины), самостоятельная частица вещества. Атомы никогда не возникают и не погибают, но бывают разной формы – шарообразные, угловатые, крючкообразные, вогнутые, выпуклые и т.д. В процессе движения в пустоте атомы сталкиваются друг с другом, сцепляются и разъединяются. Так возникновение и уничтожение вещей. Свойства вещей зависят от формы, величины, взаимного расположения составляющих их атомов.

Таким образом, в античности возник вопрос о единстве или множественности субстанций. Проблема состоит в том, приписать ли бытие некой единой основе всего существующего, тому, что, изменяясь чувственном уровне, остается неизменным на сущностном уровне, либо описывать материю через качества, характеризующие сами вещи. В соответствии с этим вопрос о материи принимает характер споров о монизме первоначал («вода» Фалеса, «воздух» Анаксимена) или их плюрализме (атомы Демокрита).

Первое порождало трудноразрешимую проблему умножения сущего (если все – только вода, то как воду превратить в огонь), второе – влекло за собой беспредел размножения сущностей (если атомов столько, сколько у вещи качеств, то какой смысл в атомах).

Для нас сейчас не важно, как конкретно решили в античности, что есть субстанция. Важен сам факт постановки проблемы единства мира.

Следует заметить, что представления античных философов о материи в целом носят довольно наивный характер. Навыки абстрактного мышления еще только складываются в ту эпоху: теоретическое мышление основывалось на основе очевидности обыденного опыта. Поэтому мышлению первых философов присуща метафоричность, стремление оперировать готовым набором устойчивых образов и преставлении.

В древней философии в основе определения материи лежало представление о материале, из которого сделаны все вещи.

Материя как субстанция: Новое время

В новое время в основе определения материи лежит уже не понятие материала, а понятие неизменных свойств, общих для всех материальных предметов.

Рис.2.4.

В субстанциональный фундамент вещей входит геометрические и физических свойства или акциденции: протяженность и непроницаемость (плотность).

Декарт отождествляет материю с единственным ее свойством – протяженностью.

По мнению Декарта, в телесном мире истинно лишь то, что постигается с помощью мышления. Те же качества тел, о которых мы узнаем на основе ощущений, в действительности не принадлежат им, т. к. всякое ощущение смутно.

Поэтому природа материи, то есть тела, рассматриваемого вообще, состоит не в том, что оно – вещь твердая, весомая, окрашенная или каким-либо иным образом возбуждающая наши чувства, но лишь в том, что оно есть – субстанция протяженная в длину, ширину и глубину.

Тела для Декарта – только пространственные величины, а физика – это геометрия.

Как можно прийти к подобному выводу? Если человека попросить вообразить какой-то предмет, то что бы он не вообразил, предмет обязательно будет иметь пространственные характеристика. Попробуйте вообразить вещь без пространственных характеристик. Если вам это удалось, вы либо опровергнули Декарта, либо ничего не поняли.

Позднее Локк пришел к выводу, что истинные качества вещей те, с устранением которых исчезают и сами вещи. Такие качества, как цвет, звук, запах, вкус, температура вещь может иметь либо не иметь. Эти качества случайны.

По мнению Локка, обязательные же качества это пространственное протяжения (форма) и плотность (непроницаемость).

Разница между Локком и Декартом в том, что непроницаемость, относимая Декартом к числу случайных качеств, помещается Локком в число обязательных. Таким образом, Локк не разделял представления Декарта о тождества физического и геометрического тела.

Физика – это не только геометрия: тело не только часть пространства. Допустим, кто-то, пряча в карман какую-то вещь, предлагает угадать какими свойствами она обладает. Гадать можно долго: вещь может быть тяжелая или легкая, цветная или прозрачная, съедобная либо нет и т. д. Но два свойства у нее точно есть: она имеет величину (размер) и плотность (телесность).

Сходства в понимании материи античных философов и мыслителей Нового времени

И для античных философов, и для мыслителей Нового времени поиски материального субстрата всех конкретных предметов характеризуется тремя общими предпосылками:

Во-первых, в основе определения материи лежит критерий объективности: определяют материю те свойства, которые существуют независимо от сознания;

Во-вторых, материя противопоставляется отдельным вещам, как нечто неизменное – изменчивому;

В-третьих, материальная субстанция обнаруживается путем нахождения общего первовещества или общего первопризнака, одинакового для всех отдельных материальных предметов.

Согласие со второй и третьей посылками требует ответа на вопрос, что является субстратом, носителем всеобщих свойств? Любое свойство – это свойство чего-то. Не могут же эти свойства – протяженность и плотность - существовать сами по себе, а тем более независимо друг от друга. Раз так, то придется считать, что они – свойства субстанции «материя».

Таким образом, материя – плотная протяженная субстанция, которая, существует независимо от сознания.

Слабость такого подхода к определению материи продемонстрировал Беркли. Он рассуждал примерно так. Источником знаний о мире являются ощущения. Группируя ощущения с помощью мышления, мы составляем представления о вещах. Поэтому то, что обыкновенно называют вещами, существующими во внешнем мире, суть лишь комплексы представлений. Материя как субстанция существует не независимо от сознания или объективно, а есть результат группировки свойств с помощью мышления. Таким образом, субстанция материи – это представление или идея.

Синтез свойств протяженности и плотности может быть осуществлен в понятии «субстанция», но только это понятие, как и любое другое, есть не материя, а идея. Рассмотрим пример. Допустим, я иду ночью, не разбирая дороги. Вдруг вижу: вдали показалась фигура в пальто и шляпе. Я думаю, что это человек. Подойдя поближе, понимаю, что это всего лишь пугало. Я сбился с дороги и зашел на поле. Субстанция (человек), которая, как я подумал, скрывалась за атрибутами (акциденциями) одежды, оказалась миражом (идеей) моего сознания.

Развитие представлений о материи

Несмотря на впечатляющую критику Беркли материи как субстанции, многие философы Нового времени разделяли доставшееся от античности представление о том, что тела состоят из невидимых неделимых атомов. Согласно Декарту, однородная материя дробима на части, имеющие различные формы и размеры. В процессе дробления и взаимодействия формируются три группы элементов материи – легкие и разнообразной формы (огонь); отшлифованные частицы круглой формы (воздух); крупные, медленно движущиеся частицы (земля).

Рис.2.5.

Живучесть атомной теории объясняется тем, она согласовывала видимую изменчивости мира с желаемой определенностью относительно последнего.

Действительно, из опыта мы знаем, что в природе происходят постоянные изменения: вещи образуются и изменяются, разрушаются и превращаются друг в друга. В природе царит не покой, а изменения. Если есть только изменения, значит, в природе нет ничего определенного. Если нет ничего определенного, то природа непознаваема. Ведь любое знание – это знание о чем-то определенном. Нельзя ли как-то зафиксировать это что-то определенное? Опираясь на чувственный опыт – нет. Но тогда только остается его придумать. Пусть это будет атом как нечто неделимое и неизменное, т. е. то, что существует определенно. Придумав атом, можно, наконец, «объяснить» природу, утверждая, что «большие» изменяющиеся тела состоят из «маленьких» неизменных атомов. Движение или перегруппировка атомов и приводит к видимому изменению тел.

Таким образом, при поверхностном рассмотрении можно конечно утверждать, атом – это материя. Но по сути – это идея, сознанная разумом с целью согласовать видимую изменчивость мира с желанием «определенных» знаний об этом мире. Эта та самая «материальная» субстанция (только теперь во множестве), о невозможности которой и говорил Беркли. Самым интересным является то, что развитие естествознания подтвердило правоту Беркли!

Идея атома также основывалась на изначальной некритической убежденности о единстве строения макро- и микромира. На невидимые, непосредственно не ощутимые атомы были перенесены такие физические свойства и отношения, которые обнаруживались при непосредственном наблюдении макротел. Из того, что макротела состоят из определенных частей, был сделан вывод, что и все, в конечном счете, состоит из таких частей. Эти «части» или атомы, корпускулы при желании можно дробить дальше и дальше (хотя бы мысленно). Но сколько не дроби – будут появятся все новые и новые «части». Ошибочность такого представления стала окончательно понятной только в XX в.

В XX в. представление о полном подобии строения микро- и макромира нашло выражение в планетарной модели атома Резерфорда. Эта модель основывалась на предположении, что атом построен подобно миниатюрной солнечной системе, где роль Солнца выполняет тяжелое центральное ядро, а роль планет – электроны, вращающиеся вокруг него по строго определенным орбитам.

Уже в XVII в. обнаружилось, что существуют явления природы, для объяснения которых атомистическая теория непригодна. Занимая оптикой, Ньютон сделал открытие, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, чем белый. Ньютон придерживался корпускулярной природы света. В соответствии с этой концепцией свет представляет собой поток «световых частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами на расстоянии.

Рис.2.6.

Корпускулярная теория могла объяснить дисперсию света, но была совершенно непригодна для описания дифракции. Дисперсия света наблюдается в виде разложения света в спектр, например, при прохождении его сквозь стеклянную призму. Так как условием появления дисперсии является изменение среды, то можно предположить, что частицы света как-то взаимодействуют с атомами среды, что и вызывает рассматриваемое явление. Но как объяснить дифракцию в рамках корпускулярной теории? Дифракция это огибание светом различных препятствий. Данное явление наблюдается при распространении света вблизи краев непрозрачных тел, сквозь узкие отверстия и т. п.

Факт дифракции гораздо лучше согласуется с представлением о волновой природе света. Почти одновременно с Ньютоном, Гюйгенс выдвинул волновую теорию света, в соответствии с которой свет – это волновое движение в эфире. В отличие от корпускулярной теории, волновая теория света должна была решить вопрос о свойствах среды – носителя световых волн (Волны – это колебания. Спрашивается, колебания чего?). Колеблющуюся (хотя и не наблюдаемую) среду назвали эфиром.

Наряду с развитием оптики изучалась и природа электричества. Было установлено, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом на расстоянии в пустом пространстве. Для объяснения этого взаимодействия была выдвинута полевая концепция, согласно которой каждый заряд создает вокруг себя «нечто», называемое электрическим полем. Таким образом, поле выступает в роли переносчика взаимодействия между заряженными частицами.

В связи с вышесказанным целесообразно упомянуть имя Фарадея, который придерживался оригинальных взглядов на природу материи. Фарадей полагал, что материя активна и немыслима без движения, и возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства. Фарадей создал новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы – лишь сгустки силовых линий поля. Материя занимает все пространство. Ее основными характеристиками являются силы притяжения и отталкивания. Под силой он понимал характеристику активности. Атомы являются лишь центрами притяжения и отталкивания. Максвелл воспринял эти представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля.

Рис.2.7.

В начале XIX в. было обнаружено, что между электричеством и магнетизмом существует связь. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток, а также обнаружил воздействие магнитного поля на световую волну, после чего тождество электромагнитных и световых явлений стало очевидным. Таким образом, было установлено, что световые, электрические и магнитные явления сливаются в одну группу электромагнитных процессов, подчиняющихся общей системе законов.

Рис.2.8.

На рубеже XIX и XX веков в физике был сделан ряд открытий, в конечном итоге приведших к коренному пересмотру взглядов на природу материи:

Открытие явления радиоактивности (превращения атомов различных элементов друг в друга) показало ошибочность представлений об атоме как о неделимом «кирпичике» вещества.

Описание процессов взаимодействия света с веществом в ходе изучения т. н. абсолютно черного тела привело к странному, не соответствующему данным наблюдений выводу о неизбежном перетекании всей энергии от вещества к электромагнитному полю. Возникшее противоречие между классической теорией и данными наблюдений получило название ультрафиолетовой катастрофы.

Опыты по фотоэффекту (явлению выбивания светом электронов с поверхности проводника) указывали, что свет может вести себя подобно частицам с пропорциональной частоте излучения энергией, количество которых пропорционально интенсивности света.

Таким образом, встал вопрос: как согласовать корпускулярные и волновые свойства материи.

Решение Планком проблемы абсолютно черного тела состояло в том, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Такая дискретность волны означала, что волна имеет свойства частиц, корпускул.

Квантовомеханическое описание раскрывает качественное своеобразие свойств присущих микрообъектам в отличие от макрообъектов. Это отличие состоит в том, что микрочастицы представляют собой единство противоположных свойств и сторон их строения – прерывности и непрерывности, корпускулярности и волнообразности. Это – не шарики, как думали раньше ученые, а сложные материальные образования, в которых дискретность (выраженная в свойствах корпускулы) определенным образом сочетается с непрерывностью (выраженной в свойствах волны). Поэтому и движение таких частиц (например, электрона вокруг атомного ядра) совершается не по аналогии с движением планеты вокруг Солнца, т.е. не по строго определенной орбите, а по аналогии с облаком («электронное облако»), имеющим как бы размытые края. Таким образом, согласно кванотово-механическим представлениям, микрочастицы материи носят противоречивый характер, будучи единством волновых и корпускулярных.

Материя как система законов

Если философы Нового времени пытались определить материю как некую неизменную от сознания субстанцию, скрытую за внешними явлениями, то в настоящее время смысл понятия «материя» выражают некоторые существенные свойства, свойственные всем без исключения предметам природы.

Материя – это абстрактная категория, отвлекающая от всех предметов природы их всеобщие свойства. Наиболее важными из этих свойств являются: сохранение, движение, пространство и время.

Рис.2.9.

Законы сохранения служат доказательством, что материальный мир есть «причина самого себя». В процессе взаимных превращений вещей материя сохраняется как субстрат всех изменений. Большинство законов физики имеют ограниченную область действия. Например, закон Всемирного тяготения, несмотря на кажущийся его абсолютный характер, в действительности имеет строго ограниченную область определения. Это эмпирический, индуктивным образом установленный закон, действие которого распространяется главным образом на макротела.

В отличие от других законов природы законы сохранения справедливы для любых физико-химических процессов. К глобальным законам сохранения относятся: законы сохранения энергии, импульса, момента, заряда и др.

Ответ на естественный вопрос о том, почему справедливы законы сохранения в физике, был найден сравнительно недавно. Оказалось, что законы сохранения возникают в системах при наличии к у них определенных элементов симметрии. Элементом симметрии системы называется любое преобразование, переводящее систему в себя, т. е. не изменяющие ее. Например, элементом симметрии квадрата является поворот на прямой угол вокруг оси, проходящий через его центр.

Законы сохранения являются выражением существенного свойства материи – ее неуничтожимости и несотворимости.