Методология науки Предмет методологии

Методология – наука о построении, формах и способах научного познания.

Метод (греч. – путь, учение) – способ достижения какой-либо цели, решение конкретной задачи, совокупность приемов или операций практического или теоретического познания действительности.

В настоящее время одной из наиболее общепризнанных методологий научного исследования является исторический диалектический материализм. Все категории диалектики применимы в методологии науки. Философско-методологическая основа науки – теоретическое познание, обобщенные методы и приемы, используемые наукой.

Гносеология – раздел теории познания, изучающий закономерности и возможности познания, вопросы отношения знания к объективной реальности.

Существует два метода исследования:

Опыт

Эта схема отражает процесс познания: “от живого созерцания к абстрактному мышлению, а от него – к практике”.

Процесс познания – усвоение чувственного созерцания, переживаемого или испытываемого положения вещей и состояний с целью нахождения истины. При этом, субъект познания и объект познания – это основные категории, описывающие процесс познания.

Субъект постигает, объект постигаем. Определенные моменты объекта отображают в субъекте и это отражение объективно. субъект постигает, объект постигаем. Объект отображается в субъекте. Это отображение объективно, т. е. объект отличает отображение от самого себя, как противостоящего отражению, причем объект не зависит от субъекта.

Контур восприятия явлений. Включает в себя многократный цикл испытаний, наблюдений, сбора информации. Это область эмпирического (опытного) знания.

Контур познания сущности. Отбор и обобщение информации, попытки выяснить очередную относительную истину. В процессе познания выполняются и проявляются основные законы диалектики, реализуется логика познания, цель которого – “вечное, бесконечное, приближение мышления к объекту” (Ленин).

Познание – эффект отражения внешнего мира в нашем сознании.

Истина – соответствие знаний действительности.

Практика – источник, основа, критерий истинности знания, целенаправленное преобразование мира, в котором материальное преобразование объекта в соответствии с его идеальной моделью, способ, который субъективный замысел превращает в материальный объект.

В познавательном процессе объект и субъект вступают во взаимодействие, создают познавательный образ.

Познание – отражение объективной реальности, воспроизведение ее многообразных состояний в форме, отличной от непосредственной.

Результат познания – образное отражение окружающего мира.

Свойства познавательных образов

1. Образ – отражение внешнего мира

2. Образ – субъективное отображение, следовательно способ его существования существенно отличается от объекта.

3. Образ идеален

4. Образ предметен

Познание – это деятельность по производству образов и их активному преобразованию в процесс мышления.

Применим представления о контуре познания к научным исследованиям и рассмотрим акт познания в научном исследовании.

ед.

Структура метода

1. Знание.

2. Совокупность мыслительных (логических) и материальных (физических) операций и процедур, направленных на объект познания.

Выделяются всеобщие методы (диалектика, метафизика), общенаучные методы (анализ-синтез, индукция-дедукция), частнонаучные методы (то, что используется в частных науках). Существует связь между методом и формой научной информации о познавательном образе.

Методология научного познания тесно связана с формальной логикой, которая анализирует важнейшие формы мышления (понятия, суждения, умозаключения), формулирует основные законы мышления, изучает способы доказательства. Методология тесно связана с логикой, изучающей причины объективности, историзма, восхождения от конкретного к абстрактному и т. Д.

Уровни методологического знания

В зависимости от общности методов можно выделить:

1. Уровень конкретных методик.

2. Уровень метода специальных наук и выявление их общетеоретических основ.

3. Уровень разработки методов познания, которые используются в разных науках и опираются на общие закономерности.

По уровню познавательных форм выделяются:

1. Эмпирические знания

2. Модели

3. Теории

Структура научного знания

Научное знание независимо от его природы разделяется на эмпирические и теоретические уровни, которые отличаются:

1. по объекту познания

2. эмпирические знания связаны с практикой, а теоретические не связаны

3. эмпирические знания носят функции обобщения и описания действительности, а теоретические несут предсказание и объяснение действительности

Теория “умозрения”. Взаимосвязь этих знаний в том, что всякая теория строится на определенном эмпирическом материале.

4. По уровню отражения действительности: эмпирические знания отражают внешние связи и явления, а теоретические – сущность явлений разных порядков.

Эмпирический уровень познания

Эмпирическое исследование – деятельность, направленная на познание первичной опытной информации о состоянии внешнего мира. Существенным признаком эмпирических исследований является взаимодействие субъекта и объекта или наблюдения и предмета, который может быть непосредственным и опосредованным (через посредника) различными экспериментальными средствами (приборы, установки).

Методы получения первичной информации:

1. наблюдение

2. эксперимент

3. измерение.

Эксперимент – чувственно-предметная деятельность нации (опыт, воспроизведение, проверка гипотез).

Результаты эмпирического исследования обрабатываются с использованием различных способов обработки информации (методы, классификации, систематизации, группировки и т. д.), в итоге вырабатываются эмпирические данные – первичный, “сырой” материал, полученный в ходе эмпирического исследования.

Эмпирические знания являются основной познавательной формой. Главные требования к эмпирическим знаниям – достоверность, результативность – зависят от уровня экспериментальных возможностей. Эмпирические данные не должны быть независимы от теории, но выражены на языке данной теории. Зависят от уровня развития теории, в которой эти данные анализируются.

Результативность ограничена двумя уровнями:

- уровнем развития практики

- уровнем развития теории.

Формы фиксации эмпирических знаний

Факт – это то, что произошло, имело место. В принципе, не важно, зафиксирован факт или нет. Факты фиксирует человек. В этом проявляются отношения субъекта и объекта.

Факты – специфические проявления. Они могут быть как предметными формами материи, так и социальным действием личности.

Факт – нечто случайное, единичное, индивидуализированное, поскольку в фактах фиксируется не весь процесс, а какой-то фрагмент, потому при обращении к фактам надо быть осторожными, т. к. всегда возникают издержки, отдельные разрозненные факты, которые субъект может принять за всю их сумму и таким образом отождествить частное, случайное с целым, закономерным. Произвольная выборка фактов для сопоставления с какой-либо гипотезой может исказить реальное положение дела. Можно посчитать факт за истину или видимые проявления принять за сущность яви. Фиксация факта связана с наличием экспериментально-измерительных средств, методик, достоверных источников. Факты относительны, факт и закон – соотносительные познавательные формы, поэтому факты являются формой проявления и сущности закона. Обобщение фактов имеет смысл при создании закона, не факты нужно приспосабливать к законам, а закон должен выводить (предсказывать) факты.

Эмпирический закон является высшей формой эмпирического знания. (Законы Ома, Ньютона) Цель познания и практики – обнаружение и использование законов. Закон – необходимая, универсальная, всеобщая относительно устойчивая и повторяющаяся связь между явлениями. Закон – форма всеобщности.

Основные группы законов:

– специфические (частные)

– общие

– всеобщие (универсальные).

Между ними существует глубокое диалектическое взаимоотношение (взаимосвязь). Общие действуют через частные, а частные – это проявление общих. Законы носят объективный характер. Познание законов – задача науки, основа преобразования природы и общества.

Различают эмпирические и теоретические законы. Эмпирический закон является заготовкой для теоретического, но он ограничен, так как не дает фундаментального и всеобщего обоснования. Эмпирический уровень – необходимый первичный уровень постижения мира, на этом уровне еще не раскрываются и не обосновываются связи и отношения между предметами исследования – всеобщность и причинность связей. Ограничение эмпирического уровня в том, что он не позволяет построить модель, которая могла бы дать всестороннее объяснение реальности.

Методы теоретического исследования

Переход от эмпирического к теоретическому уровню представляет собой скачок в развитии познания. В силу своей специфичности теоретический уровень имеет свои собственные формы отражения действительности и методы.

Средства и приемы построения теории следующие:

1. Абстрагирование – мысленное отбрасывание тех свойств и связей, которые не существенны для цели исследования

2. Идеализация – мысленное конструирование таких объектов, которых не существует в действительности, но с помощью которых можно изучать отношения между реальными объектами, событиями

С помощью абстрагирования и идеализации проводят мысленный эксперимент.

Теория (греч. – умозрение (умозреть с помощью мышления)) – важнейший элемент теоретического познания, высшая форма научного знания. Природу теории можно понять исходя из трех уровней понимания:

– общее понимание теории как способа организации знаний, системы связи, достоверности, обоснованности положений, опосредованно – идеализированного отображения действительности;

– тип теории: с помощью этого уровня фиксируется то общее, что присуще теориям отдельных наук (естествознание, история, математика);

– индивидуальная теория: с помощью этого уровня фиксируется существование большого разнообразия конкретных теорий (общенаучных, естественнонаучных).

Структура теории

Внутренняя структура включает эмпирический базис (основу), теоретический базис, формально-логический аппарат, т. е. определенные правила, выводы, математический формализм, логические критерии истинности, логически возможные средства, которые допускают эмпирическую проверку.

Внешняя структура образует структурную систему взаимоотношений теории с другими познавательными формами.

Логическое и историческое рассмотрение теории показывает, что более общие теории включают в себя предшествующие частные теории, как частный предельный случай (принцип соответствия).

Формы фиксации теоретического знания

Вопрос – форма познания, которая выражает требование найти неизвестное, получить информацию о каком-либо объекте. Постановка вопроса и поиск ответа на него – особая форма развития познания.

Проблема – вопрос, который не разрешен в рамках данной теории. Проблема возникает в случае множества решений и существует необходимость выбора одного из них.

Неизвестное – важнейший элемент проблемы.

Гипотеза – предположительное суждение о закономерной (причинной) связи явлений. Роль гипотезы связана с двумя обстоятельствами:

1. Гипотеза выступает как форма перехода знаний от эмпирических к теоретическим. Факты – гипотеза – теория.

2. Гипотеза в широком смысле представляет собой прорыв в неизвестное и является передним краем науки.

Связь методологии с формальной логикой

Основу формальной логики составляют:

1. Понятие – одна из форм отражения мира в мышлении, с помощью которой познается сущность явления.

2. Суждение – высказывание, мысль.

3. Умозаключение – умственное действие на основе индивидуального сознания, определенные нормы, выводы.

Методы:

Аксиоматический – способ построения научной теории в виде аксиом, путем дедукции

Дедукция – умозаключение от общего к частному.

Индукция – умозаключение от фактов к гипотезе.

Анализ (разложение) – расчленение мысли на отдельные элементы. Анализ связан с синтезом.

Синтез – метод познания (соединение).

Моделирование (модель, мера, образец) – это теоретический образ, используемый в качестве “заместителя” и “представителя” какого-либо процесса, явления или объекта.

Широко распространенным методом является глобальное моделирование, машиностроительное моделирование.

Перечисленные методы исследования используются в совокупности, комплексе.

«Левополушарное» мышление.

Научное творчество

Научное творчество – это очень широкое понятие, охватывающее практически всю область научной деятельности, причем, основной упор делается на важный элемент научного творчества, который называется научным открытием.

Творчество вообще – процесс создания чего-то нового.

“Говорят: “одним разумом можно все постигнуть” – не верьте... Одна нить – разум, другая – чувства, и всегда они друг с другом соприкасаются в творчестве». В.И. Вернадский

Творчество имеет место там, где воображение свободно от оков логики за счет эмоций.

Если говорят о творческом мышлении, то можно выделить следующие характерные черты:

1. Оно пластично, т. е. дает множество решений вместо одного-двух при обычном мышлении.

2. Творческое мышление подвижно, т. е. позволяет переходить от одного аспекта проблемы к другому, не ограничиваясь одной точкой зрения.

3. оригинально (дает нестандартные решения).

4. Творческое мышление многогранно, это новое, перевод в новую форму , пересечение двух идей одновременно

Мечта – вид творческого воображения, связанный с осознанием желанного результата и требует нашего воображения.

Воображение – психический процесс, заключается в создании новых образов, представлений путем переработки материала, восприятие представлений, полученных в предшествующем опыте.

Приемы творчества.

Можно выделить такие формы синтеза как:

1. Агглюцинация – “склеивание” различных, в повседневной жизни не соединимых качеств, частей.

2. Гиперболизация – это увеличение или уменьшение предмета, его частей. Один из худших приемов.

3. Схематизация – представления сливаются, а различия сглаживаются, черты сходства четко выступают.

4. Типизация – выделение существенного, повторяющегося в однородных образах.

5. Заострение – подчеркивание отдельных признаков образа.

«П равополушарное» мышление

Проблемы научного творчества изучаются психологией научного творчества, предмет рассмотрения которого методы решения проблем.

Метод мозговой атаки (разработал А. Осборн, 1938 г)

Психология научного творчества рассматривает схемы творческих процессов.

Самая простая трехактная модель творчества:

– возникновение творческой идеи

– “вынашивание” замысла

– реализация замысла

Пятиэтапная модель включает

- накопление знаний

- сосредоточение усилий

- участие интуиции

- озарение (инсайт)

- проверка результата.

Методы активации творческих мыслительных процессов.

Применяются следующие методы:

- “мозговой штурм”

- метод фокальных объектов

- метод морфологического анализа (рассматриваются варианты, главная характеристика элемента)

- метод контрольных (наводящих) вопросов.

Этапы в творческом мышлении:

1. Возникновение творческой идеи

2. Вынашивание замысла

1. Реализация замысла

Лекция 4. Современная физическая картина мира

Картина мира – совокупность мировоззренческих знаний о мире. ФКМ – представления о мире и его процессах, вырабатываемые физикой на основе эмпирических исследований и теоретическом их осмыслении

Вопрос о «генезисе» (происхождении, становлении) данного уровня материи.

Структура, предмет и методы физики

«Генезис» физики: истоки физики в древнегреческой культуре, из единой науки выделилась медицина, она стала началом наук о жизни. В настоящее время идет объединение наук в одну меганауку под крылом физики (физикализм). То есть идет развитие знаний происходит по спирали, которая замыкается, но уже на новом уровне познания.

Физика («фюзис» - природа) Начало физики – работы Аристотеля. Физика _ фундаментальная наука о природе.

Структура физики

В физике применимы общенаучные методы. Физику разделяют на: корпускулярную и континуальную (континуум – поле, нечто нераздельное). Взаимосвязь корпускулярного и континуального подходов – корпускулярно-волновой дуализм.

Физика рассматривает физическую материю, которая существует в виде вещества (корпускул), т. е. некоторых частиц, которые имеют массу покоя. И поля – носители взаимодействий между этими частицами. Это физика необходимого.

Физика возможного – квантовая и статистическая физика.

Физическая величина – основное понятие физики – физические величины определяют качественное и количественное содержание исследуемого объекта или процесса. Физические величины – измеряемые характеристики или свойства физических объектов (состояние, процессы, предметы). Каждая физическая величина – произведение численного значения на единицу измерения. Интернациональной является система единиц СИ (System of International) – 7 основных единиц: кг, м, с, К, моль, А, Кд (Кандела) и 2 дополнительные – рад, стерад.)

Измерения величин в каком-либо физическом явлении дает функциональную зависимость между ними и приводит к формулировке физического закона. Законы выражаются в виде математических соотношений между физическими величинами.

Математика – универсальный язык физики. Законы могут быть эмпирическими и теоретическими.

Теория создается как обобщение законов, но эти теории имеют границу применения. Существует ряд фундаментальных физических теорий, составляющих основу физической картины мира ФКМ. Общность фундаментальной теорий проявляется в том, что все они используют основное понятие — состояние физической системы, которое характеризуется набором основных параметров и величин.

Фундаментальные физические теории:

Общность фундаментальных теорий проявляется, прежде всего, в том, что они вводят в качестве основного – понятие состояния физической системы.

1. Классическая механика.

Содержит подразделы:

- механика материальной точки,

- механика системы материальных точек (частиц)

- механика абсолютно твердого тела

В классической механике, как и во всей физике, широко используются методы абстрагирования и идеализации, например, представление о материальной точке, абсолютно твердом теле и т. п.

Структура классической механики включает:

1) совокупность физических величин (основных понятий), описывающих объекты данной теории (координаты, импульсы, энергии, силы, ускорения, скорости и т.д.)

2) состояние системы (или тела) задается координатами и импульсами всех частиц.

3) уравнение движения (закон движения) описывает процесс изменения состояний — эволюцию системы.

В механике Ньютона основные законы векторные. В аналитической механике Лагранжа основные величины обобщенные координаты и скорости – это независимые переменные, число которых равно числу степеней свободы системы. В методе Гамильтона основные переменные обобщенные координаты и импульсы. Взаимодействие характеризуется не силами, а энергией.

В методе Лагранжа основная характеристика – это функция Лагранжа L = E_k - E_n , где E_k - кинетическая энергия, E_n - потенциальная энергия (для консервативной системы). В методе Гамильтона — функция H = E — полная энергия системы, выраженное через обобщенные координаты и импульсы . Из принципа наименьшего действия S = 0 вытекает уравнение Лагранжа – уравнение движения.

В классической механике: если заданы начальные условия, то можно описать поведение системы как в будущем, так и в прошлом. Это называется механическим детерминизмом. Уравнения механики инвариантны по отношению к обращению времени, т.е. не существует стрелы времени по отношению к механическим процессам.

В Ньютоновской механике основными законами являются:

1) три закона Ньютона (инерции, основной закон динамики, действия-противодействия);

2) законы сохранения импульса и полной механической энергии.

Законы сохранения следуют из симметрии пространства и времени и законов Ньютона.

Попытки распространить принцип механического детерминизма на другие формы движения привел к построению первой единой механистической КМ (парадигма механицизма). Это односторонний принцип, пытающийся объяснить все явления природы, исходя из механистических представлений.

2. Механика сплошных сред: основное понятие – это поле (континуум). Функции координат и времени описывают распределение в пространстве плотностей, давлений и скоростей, соответственно: . Таким образом, задаются в пространстве в зависимости от времени соответствующие поля. Начальные и граничные условия определяют состояние поля в начальный момент времени. Уравнение гидродинамики идеальной жидкости — уравнение Бернулли. Для неидеальной жидкости появляются силы трения и теплообмен, что было учтено только после создания термодинамики.

3. Термодинамика ­– классическая, аксиоматически построенная теория (в ее основу положены 4 постулата). Состояние характеризуется параметрами: давление, объем, температура. Связь между ними – уравнение состояния – устанавливается опытным путем. Два закона термодинамики являются фактически законами сохранения энергии и необратимости макроскопических процессов. Вводятся две функции – внутренняя энергия U и энтропия S, которые сохраняются в равновесных и обратимых процессах.

4. Электродинамика. Объект исследования – электромагнитное поле, задаваемое векторами напряженности электрического поля и индукции магнитного поля, соответственно: . Свойства среды задаются диэлектрической проницаемостью (), магнитной проницаемостью () и электропроводностью (). Характеристики и связаны друг с другом материальными уравнениями и законом Ома в дифференциальной форме. Закон эволюции полей описывается уравнениями Максвелла, которые представляют собой систему линейных однородных дифференциальных уравнений в частных производных.

5. специальная и общая теория относительности

Общая теория относительности

Состояние гравитационного поля характеризуется компонентами метрического тензора. Эволюция гравитационного поля описывается нелинейным уравнением поля Эйнштейна. Уравнение позволяет определить метрический тензор в любой последующий момент времени по начальному значению его и заданным компонентам тензора материи, описывающего ее распределение в пространстве.

Статистическая физика

Максвелл в 1859 г. впервые ввел в физику понятие вероятности. Поскольку в принципе невозможно не только проследить за изменением импульса или положения одной молекулы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа в данный момент времени. Поведение большого ансамбля частиц описывают статистическими законами, вводится понятие 3N (число координат) и 3N обобщенных импульсов (3N-p; 3N-q)

Их следует рассматривать как случайные величины, которые в данных макроскопических условиях могут принимать разные значения.

функция распределения есть плотность вероятности обнаружения координат p и импульсов q в определенном интервале (фазовом объеме). По функции распределения можно найти среднее значение любой величины, например, среднее давление и среднее отклонение от среднего давления (см. рисунок). Это статистический (вероятностный) язык описания.

Квантовая механика

Наблюдаемые физические величины те же, что и в классической механике, т.е. координаты, импульсы, энергии, моменты импульса.

Основной величиной, характеризующей состояние квантово-механической системы является волновая функция , – более абстрактная вероятностная характеристика системы. – квадрат модуля волновой функции — плотность вероятности обнаружения частицы в определенном объеме пространства. Уравнение, описывающее движение микрочастиц – уравнение Шредингера. Такие уравнения имеют решение при дискретном наборе собственных значений энергии и собственных значений функций. Квантование энергии – это следствие уравнения Шредингера. Зная  , можно вычислить вероятность определенного значения не только координаты, но и любой физической величины. Однозначно определяются средние значения всех физических величин.

Главное отличие квантовой механики от классической теории в том, что состояние характеризуется амплитудой вероятности, а не самой вероятностью, следовательно, существует сугубо квантовый эффект – интерференция вероятностей. Границы применимости классического и квантово-механического описания позволяет определить соотношение неопределенности Гейзенберга, в соответствии с которым невозможно одновременно точно определить координату и импульс микрочастиц, энергию и время, момент импульса и угол.

Как следствие соотношения неопределенностей закон сохранения энергии может нарушаться на любую величину , что, в частности, является физическим обоснованием существования виртуальных частиц.

Важен вопрос: являются ли микрочастицы квантовыми объектами, т.е. можно ли придать физический смысл волновой функции, а не квадрату ее модуля.

Эксперимент К. Монро: атом гелия ионизировали до однозарядного иона мощным лазерным импульсом и обездвижили, понизив температуру до близкой к абсолютному нулю; у электрона осталось две возможности: вращаться по часовой стрелке, либо против; затормозив электрон лазерным лучом, лишили его этой возможности; ион гелия раздвоился, реализовав себя сразу в двух состояниях. Дистанция между этими объектами 83 Нм.

Парадокс Шредингера: в закрытом ящике находится кошка, счетчик Гейгера, ионизирующая частица и баллончик с газом; если частица проявит себя как корпускула, то счетчик сработает, включится баллончик и кошка умрет, если частица поведет себя как волна, то кошка останется в живых. Таким образом, кошка наполовину жива, наполовину мертва. И нужен наблюдатель, чтобы объективизировать ее состояние.

Появление статистических законов связано с дискретностью. В тепловых процессах — с дискретностью в строении тел, в классической электродинамике – электрических зарядов, в квантовой механике – с дискретностью действия (минимальное действие – ).

Квантовая статистика

Её связь с квантовой механикой та же, что и статистической физики с классической механикой, т.е. квантовая статистика описывает поведение макрообъектов, когда классическая механика неприменима к описанию движения частиц, слагающих эти объекты.

Для описания поведения микрочастиц используется методы квантовой статистики: 1) распределение Бозе-Эйнштейна для частиц с целыми спинами, спин момент количества движения S=n .

2) Ферми-Дирака, для частиц с полу целыми спинами.

Квантовая теория поля

Квантовая электродинамика применялась к описанию взаимодействий электронов, позитронов и фотонов.

Оказалось, что вероятностные законы определяют не только значения координат, импульсов и других величин, но и само число частиц. Квантовые принципы были распространены на системы с переменным числом частиц, что позволило учитывать процессы рождения, поглощения и превращения частиц. В КТП большую роль играет состояние с наименьшей энергией квантовых полей – вакуумное состояние. Среднее число реальных частиц в этом состоянии равно нулю, но это не означает, что электромагнитных и других полей в вакууме нет.

Существуют нулевые колебания поля, энергия которых в теории оказывается бесконечной. Квантовые флуктуации поля неустранимы. При взаимодействии с заряженными частицами это приводит к наблюдаемым эффектам. Как следствие не существует пустого пространства, как и не существует участков этого пространства, где электромагнитное поле не менялось бы флуктуационно. Перенормировка дает возможность выделить конечную часть заряда и массы, согласующиеся с экспериментом.

Статистическими являются теории:

- электрослабого взаимодействия (статистическая, калибровочно инвариантная теория)

- теория великого объединения (ТВО)

- квантовая хромодинамика.

Рассмотрим соотношение динамических и статистических теорий, описывающих одну и ту же форму движения.

Динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего мира. Статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе, они являются следующим, более высоким этапом познания.

Смена динамических теорий на статистические прослеживается в следующих переходах: классическая механика – квантовая механика; термодинамика – статистическая термодинамика; механика сплошных сред – статистическая теория неравновесных процессов; классическая макроскопическая электродинамика (теория Максвелла) – микроскопическая электродинамика (электронная теория); классическая теория электромагнитных процессов, базирующихся на микроскопических уравнениях Максвелла – Лоренца – квантовая электродинамика. Связь между этими подходами основана на принципе соответствия.

Например, статистическая физика, заключая в себе законы термодинамики и указывая границы их применимости, одновременно углубляет содержание этих законов и дает возможность производить расчеты тепловых процессов до численных значений.

Следующий уровень физики – принципы, более высокий.

Принципы симметрии и связанные с ними законы сохранения. Симметрия – свойство физических законов, описывающих поведение физических систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Законы сохранения – утверждения, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются в существующих процессах. Между принципами симметрии и законами сохранения существует взаимосвязь, во многих случаях первые вытекают из вторых. Большой вклад в развитие таких представлений внесла Э. Нетер (1905 г.), доказав, что из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из изотропии пространства следует закон сохранения момента импульса, из однородности времени – закон сохранения энергии. Принципы симметрии делятся на внутренние и внешние. Внутренние описывают специальные свойства микрочастиц, Например, CPt – C – зарядовая симметрия, Р – зеркальная, t – временная. Рассматривают комбинации этих симметрий, и обнаруживается определенная иерархия симметрий. Принципы симметрий имеют характер динамических законов и не допускают статистических отклонений.

Принцип соответствия. Новая теория, претендующая на более глубокое познание сущности мироздания, на более полное описание и на более широкое применение ее результатов, чем предыдущая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так классическая механика является предельным случаем квантовой механики и механики теории относительности. Релятивистская механика (специальная теория относительности) в пределе небольших скоростей переходит в классическую механику (ньютоновскую). Это и составляет содержание методологического принципа соответствия, сформулированного Н. Бором в 1923 г.

Суть принципа соответствия заключается в следующем: любая новая более общая теория, являющаяся развитием предыдущих теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенных групп явлений, не отвергает эти теории, а включает их в себя. Предыдущие теории сохраняют свое значение для определенных групп явлений, как предельная форма и частный случай новой теории. Последняя определяет границы применения предыдущих теорий, причем в определенных случаях существует возможность перехода новой теории в старую.

Принцип дополнительности сформулирован сначала как принцип корпускулярно-волнового дуализма.

Эти и другие физические принципы имеют общенаучное значение.

Лекция 5.

Проблема элементарности

Развитие любой науки идет через постановку и разрешение каких-либо проблем. Проблема – ситуация, не имеющая однозначного решения.

Проблема элементарности была поставлена в Древней Греции и ее можно свести к более фундаментальным представлениям о пространстве и времени.

Существует две концепции пространства и времени:

1. Реляционная концепция – пространство и время – система отношений материальных предметов (их ориентаций, структуры, расстояний,последовательности событий).

2. Субстанциональная — приписывает пространству и времени некоторое объективное существование, как определенной субстанции (среды), в которой происходят события.

Возможно совместить эти концепции, если считать, что пространство и время – реляционны, с другой стороны в пределе бесконечно малых систем они – субстанциональны.

В Древней Греции было введено понятие «атом» (неделимый). Школа атомистов считала, что существуют мельчайшие неделимые, бесструктурные, несводимые к другим первоэлементы материи. Демокрит определял их как вихрокванты. Причина объединения атомов в тела-вихри. «Вихреобразное вращение – причина происхождения вещей» – считал Демокрит.

Древние Греки открыли принцип исотахии – постоянства, неизменности скорости истинных атомов материи. Если субстанциональные пространство и время дискретны, то отношение кванта пространства к кванту времени остается постоянным.

Перемещение бесструктурных частиц – это процесс исчезновения их в одном месте пространства и появления в другом (“Атом — не вещь, а процесс”. Н. Бор).

Атомисты придерживались реляционной концепции. Аристотель — континуальной (нет предела делению).

Современное понятие «атома химического элемента» было введено в 1808 г. Бойлем.

Атомы имеют сложное строение: положительно заряженное ядро и электронную оболочку. Основная масса атома содержится в ядре, имеющем размеры в сотни тысяч раз меньшие размеров самого атома. Электронная оболочка размазана по всему атому. Ядро состоит из нуклонов, протонов и нейтронов. Таким образом, в структуру атомного вещества входят: протоны, нейтроны, электроны.

С развитием физики высоких энергий (ФВЭ), называемой также физикой элементарных частиц (ФЭЧ) было открыто более 300 элементарных частиц, включая и короткоживущие (резонансы). Для выявления структуры этих частиц, именно их нужно было классифицировать. Первый этап классификации выделил классы элементарных частиц в соответствии с типами их взаимодействий.

Физическая материя – это вещество и физические поля.

Можно выделить 4 вида фундаментальных взаимодействия и соответствующие им основные классы элементарных частиц.

1. Сильное взаимодействие (адроны, подклассы: барионы, мезоны). Можно принять интенсивность этого взаимодействия за 1. Сильное взаимодействие определяет устойчивость атомных ядер и адронов.

2. Электромагнитное, посредством которого взаимодействуют все заряженные тела, интенсивность его = 1/137 по сравнению с сильным. Определяет устойчивость атомов, молекул, физических тел, является физической основой сил упругости, давления, трения...

3. Слабое, выделяет класс лептонов. Константа взаимодействия составляет 10^-14 (но она плавающая, т.е. зависит от энергии взаимодействия). Обуславливает процессы превращения элементарных частиц, например, распад нейтрона np+e^-+ e.

4. Гравитационное, посредством которого осуществляется взаимодействие тяготеющих масс. Определяет связь объектов мегамира. Константа взаимодействия составляет 10^-39 .

Любые частицы, кроме фотона, обладают массой покоя. Каждое взаимодействие имеет своего носителя или квант поля.

Проблема структуры элементарных частиц была решена классификацией адронов. При этом использовались основные характеристики адронов: массы (покоя), электрические заряды (в единицах заряда электрона е=1,6 10^-19 Кл), время жизни, собственный момент количества движения частиц (спин), изотопический спин. При классификации использована теория групп, группа SU(3). В результате появилось представление о 3х субэлементарных частицах (кварках), из которых состоят адроны.

Гелл Манн выдвинул теорию о дробном заряде кварков (1/3, 2/3 е).

Барионы содержат 3q (3 кварка), мезоны-кварк и антикварк ( )

u - up

d - down

s - strange

c - charm

t - top -вершинный

b - botton (beauty)

Кварки объединяются в адроны по принципу бесцветности, =1,2,3 – красный, синий, зеленый.

3 цветных кварка дают бесцветный адрон.

Взаимодействие кварков осуществляется путем обмена глюонами — носителями цветовых зарядов.

К варки принципиально не наблюдаемы (в свободном виде), но могут существовать внутри адронов. В протонах обнаружены партоны, имеющие дробные заряды кварков. Кварки в адронах находятся как в заключении (конфаймент).

Существование виртуальных частиц следует из соотношения неопределенностей. Закон сохранения нарушается на короткое время

и кварки вырывают себе по паре из физического вакуума

Кварки принципиально не наблюдаемы, потому что:

1. Характер их взаимодействия специфичен (конфаймент, асимптотическая свобода)

2. Таковы свойства физического вакуума («морские кварки).

Различие между фундаментальными лептонами и кварками: лептоны бесцветные, целозарядные; кварки цветные, дробно-зарядные.

Общие черты: у них спин (собственный момент количества движения) равен одной второй, т.е. эти частицы-фермионы, они подчиняются статистике Ферми-Дирака. На современном уровне знания эти частицы выглядят точечными (бесструктурными), поэтому их называют фундаментальными фермионами, делят на три поколения: самые легкие, которые слева, масса возрастает слева – направо.

Слабое взаимодействие может менять ароматы кварков и лептонов и нарушать некоторые внутренние симметрии. Связь (взаимодействие) между фундаментальными фермионами описывается с помощью квантов соответствующего физического поля, которое носит название фундаментальные бозоны.

Фундаментальные лептоны связаны посредством промежуточных бозонов W^± , Z₀ , которые являются квантами электрослабого взаимодействия. Барионы связаны посредством глюонов, квантов сильного взаимодействия субэлементарных частиц.

• Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах. Ядерные силы действуют только на малых расстояниях (10^-15м).

• Электромагнитное взаимодействие связывает электроны в атомах и атомы в молекулах. Интенсивность его примерно в 100 раз меньше, чем сильного, но оно действует на любых расстояниях.

• Слабому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторых частиц и за процессы с участием нейтрино. Его интенсивность составляет всего лишь 10^-14 от интенсивности сильного взаимодействия.

• Гравитационное взаимодействие наиболее слабое. Его интенсивность 10^-43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия. Оно действует между всеми материальными объектами.

1. Гравитационное взаимодействие обусловливает устойчивость планетных, звездных и других макроскопических космических систем. Силы действуют на больших расстояниях между телами больших масс и всегда являются силами притяжения. В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей.

2. Следующий тип взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие электрически незаряженных частиц. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.

3. Взаимодействие третьего типа обусловливает процессы медленного (по сравнению с сильным) распада и превращения частиц и называется слабым взаимодействием. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества с полуцелым спином, но в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны. В 1967 г. английский физик-теоретик А. Салам и американский физик С. Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединила слабое взаимодействие с электромагнитным, высказав предположение о том, что наряду с фотоном существуют еще три частицы со спином 1, названные тяжелыми векторными бозонами (W⁺, W^- и Z⁰), которые и являются переносчиками слабого взаимодействия. Были предсказаны массы бозонов. Примерно через 10 лет полученные в теории предсказания подтвердились экспериментально.

4. Сильное или ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом (от англ. confinement – ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать в свободном состоянии, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий). Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон. Сильное взаимодействие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимптотической свободой. Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти также, как свободные частицы.

Схема

Типы взаимодействий в природе и пути построения теории единого поля

1. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия привело к представлениям о W^, Z⁰ – промежуточных бозонах, их ввели Вайнберг, Салам. Затем была создана Теория Великого Объединения, объединяющая электрослабое взаимодействие с сильным. После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием. В результате получилась так называемая теория Великого объединения. Было предложено несколько вариантов “великих теорий”. Такие теории могут стать определенными шагами на пути создания единой теории поля, охватывающей все фундаментальные взаимодействия природы. Слабое взаимодействие может менять ароматы кварков и лептонов и нарушать симметрии; частицы с целочисленным спином – бозоны, поскольку подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Теория Великого объединения (ТВО) объединяет электрослабое и сильное взаимодействия. Следующий этап на пути к единой теории поля – объединение великого взаимодействия с гравитационным, что теоретически осуществляется в теориях суперобъединения (супергравитации), в основе этого лежат суперсимметрии, которые позволяют построить лагранжиан единого поля. Лабораторией для проверки теорий суперобъединения служит вся Вселенная. Единая теория сил по существу представляет собой единую теорию материи.

Лекция 6. Проблема космогенезиса.