нув на основі механічної картини світу І. Кант у своїй знаменитій космогонічній гіпотезі (1755 p.). Щоправда, пояснення на основі ме ханічної картини світу мало якісний характер, а не такий точний і строгий, яким був розв’язок задач механіки. Проте загальне якісне розуміння явищ таке пояснення все-таки давало.
Отже, механічна картина світу могла охопити такі явища, які фактично не належали до механіки. Так, тривалий час не вдавалося пояснити теплові й електромагнітні явища на основі механіки. Про те загальне механічне тлумачення їх на основі механічної картини світу не мало особливих ускладнень.
Тому механічна картина світу була засобом механічного пояснен ня немеханічних явищ і ґрунтом для спроб побудувати механічні теорії цих явищ (корпускулярна і пружна теорії світла, механічна теорія теплоти, кінетична теорія газів, корпускулярна і пружна тео рії електромагнетизму тощо).
Визнавалося, що механічна картина світу може дати пояснення або тлумачення будь-якому явищу природи. Ідеалом наукового пояс нення вважалось таке пояснення, яке виходить із простих і наочних механічних моделей.
На початку другої половини XIX ст. виникли перші фізичні те орії, які вийшли за межі механічних і в основі яких лежали нові для того часу поняття енергії і поля. З цими теоріями була пов’язана можливість інших поглядів на природу — енергетичного і електро динамічного.
У зв’язку з цим виникло чимало важливих проблем. Оскільки уявлення про універсальність механічної картини світу похитнули ся, виникла тенденція, з одного боку, розширити основи механіки для того, щоб зберегти стару картину світу, а з іншого — відмовити ся від універсалізації механіки і змінити загальні уявлення про при роду. Як відомо, на роль головної науки про природу почала претен дувати електродинаміка. Однак під час побудови універсальної елек тродинамічної картини світу зіткнулися з рядом ускладнень (проб лема ефіру, проблема зв’язку заряду й поля і деякі інші пов’язані з ними проблеми), внаслідок чого виникли сумніви щодо можливості єдиного пояснення природи. Старе пояснення природи виявилось не спроможним, нового ж побудувати не вдалося.
Наприкінці XIX — на початку XX ст. через остаточний крах механічної картини світу і труднощі, пов’язані зі створенням нової картини світу, в фізиці наступила криза.
У цей період серед фізиків виникла гостра полеміка з приводу розуміння фізичної картини світу. Ґрунтуючись на тому, що старе ньютонівське розуміння фізичної картини світу не узгоджується з розвитком фізики, одні вчені взагалі відкидали поняття картини світу. Інші ж намагалися зберегти це поняття, нерідко в його класичному вигляді.
Прихильники феноменологічного тлумачення законів фізики у своїй аргументації широко використовували незвичність новітніх фізичних відкриттів і абстрактність фізичних понять, яка помітно зросла. Так, через відмову від поняття ефіру як матеріального носія поля його почали ототожнювати з енергією: за пропозицією представників енерге тизму воно визначалося як пустий простір, наділений енергією. У зв’яз ку з цим уся електродинаміка розглядалася в «енергетичному» аспек ті, чому сприяла незвичність і складність її рівнянь.
Наприкінці XIX ст. фізичний зміст рівнянь Максвелла був не зрозумілим багатьом. Г. Герц зазначав, що багато фізиків, зокрема ті, хто ретельно вивчав твір Максвелла, не зовсім розуміли фізичний зміст теорії Максвелла. Тим більше важко було рядовому фізику відмовитися від звичних механічних уявлень про природу.
Незважаючи на це, теорія Максвелла сприяла формуванню і утвер дженню електродинамічної картини світу.
Розуміння науки лише як опис явищ природи зіткнулося з опози цією з боку абсолютної більшості природодослідників. Проте багато з них ще дотримувалися стихійно матеріалістичних уявлень про природу, пов’язаних з механічною картиною світу. Тому були об’єк тивні умови для критики їхніх загальних поглядів на природу, які ґрунтувались на нових досягненнях науки і насамперед електроди наміки Максвелла. В результаті цього складалося враження, що ма теріалістичні уявлення про природу заважають прогресу науки. Такою ситуацією скористалися прихильники феноменологічного підходу.
Аналіз розвитку фізики засвідчує, що для фізичного пізнання необхідні як описання, так і пояснення. Однак у період кризи в фізиці старі поняття відкидаються, впроваджуються в практику нові. Надій нішим методом пізнання стає описання, що приводить до можли вості його абсолютизації і водночас до опозиції щодо самого поняття картини світу. Проте такий підхід практично не можна реалізувати хоча б тому, що створенню будь-яких фізичних теорій передує ви никнення фізичної картини світу або її окремих елементів.
Укінці XIX — на початку XX ст. у зв’язку з виникненням теорій нового типу, зокрема теорії Максвелла, передбачалося більш чітке розмежування функцій фізичних теорій і функцій фізичної картини світу. Нерозуміння цього призводило прихильників феноменологіч ного підходу до помилкових висновків.
Упоглядах Г. Герца на картину світу виявилася звичайна пози ція природодослідника, який стихійно переконаний у реальності зов нішнього світу. Цим поглядам відповідало і саме поняття картини світу. «Картину» створює вчений відповідно до дослідних даних, але водночас вона має внутрішній, композиційний, смисловий зміст, який відображає об’єктивну суть явищ.
Починаючи з праць Г. Герца, термін «картина світу» в розумінні відображення зовнішнього світу набув більшого поширення, причо
му замість терміна «механічна картина світу» почали застосовувати більш місткий термін «фізична картина світу». Таким чином енерге тичному і феноменологічному підходам протиставлялося стихійно матеріалістичне розуміння науки. У вступі до свого оригінального викладу основ механіки Г. Герц вперше проаналізував поняття «фізич на картина світу» і показав його значення для всієї структури фізи ки і, отже, для поглиблення наших знань про природу.
Лінію розуміння науки як відображення зовнішнього світу і важ ливості застосування у зв’язку з цим поняття «фізична картина світу» продовжив М. Планк, який присвятив аналізу цього поняття щодо стану фізики початку XX ст. кілька своїх праць.
М. Планк відзначав значення фізичної картини світу як відобра ження об’єктивної реальності й виступав з цих позицій проти агности цизму і позитивізму. Він, як і більшість природодослідників, визнавав, що картина світу, яку створює наука, містить у собі зерна абсолютної істини, кількість яких постійно зростатиме в процесі розвитку науки.
Щоправда, пізніше, після виникнення квантової механіки, М. Планк не зміг зберегти свій матеріалістичний підхід до фізичної картини світу. Віддаючи належне емпіризму і вважаючи першоосновою науки один лише особистий досвід, М. Планк дійшов висновку про брак до казів того, що побудована ним картина світу дійсно відображає реаль ний світ. Отже, є підстави вважати, що вона є лише засобом зв’язку між реальним світом і чуттєвими сприйняттями природодослідника.
У першу чверть XX ст. під фізичною картиною світу часто розуміли загальне уявлення про природу, яке виникло на основі досягнень фізики. Проте крім фізики цей термін почав застосовуватися і в інших природничих науках, у зв’язку з чим виникло поняття «наукова картина світу» як синтез даних усіх наук про природу.
Великого значення цьому поняттю надавали Д. І. Менделєєв, В. І. Вернадський та інші видатні природодослідники. Термін «науко ва картина світу» спочатку вживався в галузі філософських питань природознавства, а потім значно поширився і почав застосовуватися для визначення наукового світогляду взагалі, проникаючи в філосо фію, психологію і соціальні науки. Широке тлумачення картини світу як картини сприйняття світу людиною дав також А. Ейнштейн.
На початку XX ст. розвинулась тенденція створення, переважно на ґрунті природничих наук, всеохоплювального наукового світо гляду, наукової філософії. Помітним прихильником цієї тенденції був Е. Мах. Однак при цьому він применшував можливості науки до рівня описання явищ, а явища фактично зводив до відчуттів. Як наслідок, науковість, за Махом, розумілась настільки однобоко, що його «наукова філософія» викликала різку відсіч з боку абсолютної більшості природодослідників.
У першій чверті XX ст., до появи квантової механіки, більшість природодослідників стихійно дотримувалась розуміння фізики і фізич
ної картини світу як відображення дійсності. Проте на початку дру гої чверті XX ст., з появою квантової механіки, положення істотно змінилося. Квантово-механічні поняття були досить абстрактні, а їхній зв’язок з дослідом був настільки складний, що важко було бачити в них відображення об’єктивних співвідношень. Багатовимірність хви льової функції для квантових систем, імовірнісний характер зв’язку теорії і досліду, принципи невизначеностей й доповнення та інші не звичні поняття, пов’язані з ними, — все це без належного філософ ського підходу призвело до того, що уявлення не лише про фізичну картину світу, а й про фізику в цілому як відображення об’єктивних законів природи для багатьох фізиків було похитано.
Поняття фізичної картину світу в фізиці збереглося, але тепер воно вживалося переважно в навчальній і популярній літературі. При цьому наголошувалося не стільки на об’єктивному змісті сучас ної фізичної картини світу, скільки на тому, що вона дає картину фізики як єдиного цілого. І лише в окремих книгах говорилося про те, що картина світу сучасної фізики є відображенням природи.
Багато фізиків почали вважати, що поняття картини світу в фізиці є неприйнятним, що його можна було вживати лише в класичній фізиці. Наприклад, В. Гейзенберг зберіг традиційний для фізиків термін «картина світу», проте позбавив його об’єктивного значення.
Виникнення нових квантово-механічних понять привело фізиків до деяких важливих гносеологічних висновків. Так, Н. Бор, аналі зуючи методи атомної фізики, з’ясував, що наше пізнання перестало бути наочним.
Слідом за ним В. Гейзенберг дійшов висновку, що зрозуміти не ясні питання будови атома можна лише за умови подальшої відмови від наочності й прагнення до об’єктування.
Наочні уявлення можливі тільки для макроскопічних явищ, але оскільки вони ґрунтуються на мікроявищах, теорія мікроявищ має охопити і макроскопічні явища. Проте це означає, що вся теоретич на основа фізики перестає бути наочною, адже теоретичну основу сучасної фізики становлять математичні рівняння, логічні принци пи, уявні конструкції тощо.
Нині всю теоретичну основу фізики почали сприймати не як безпо середню «картину», а як «логічну структуру», ідеальну «схему». Деякі фізики вважають, що сучасна теоретична фізика не наочна, а тому вона не може дати картину світу. Робиться висновок, що наука вза галі вже не «картина», не відображення дійсності, а «логічна система фактів». Сучасні позитивісти якраз використали ці обставини з урахуванням розвитку фізики, але зберегли при цьому основну емпі ричну і суб’єктивістську суть позитивізму. Позитивісти вважають, що теоретичною основою фізики є деяка логічна схема описання, і відпо відно до своїх суб’єктивістських підходів до природи відмовились від визнання об’єктивного значення фізичної картини світу.
Проте легко переконатися, що таким протиставленням ще не спрос товується можливість фізичної картини світу. Сучасна фізична кар тина світу, побудована на загальних поняттях, які є основою теорії відносності й квантової фізики, не може бути в певному розумінні «логічною схемою» або абстрактною «науковою концепцією».
Зростання ролі теоретичних методів дослідження у фізиці, їх над звичайна математизація, поява таких абстрактних понять, які не можуть бути пов’язані з окремими даними досліду безпосередньо і пов’язуються з ним шляхом складної ймовірнісної і статистичної інтер претації, сприяли проникненню в методологію наукового пізнання ідеалістичних уявлень. Особливо наочно це видно на прикладі мето дології пізнання А. Бддінгтона. Він дійшов висновку, що знання, які встановлено фізичними методами, є цілком суб’єктивними.
Найбільш настирливим прихильником тлумачення квантової меха ніки без істотних змін попередніх фізичних картин світу був А. Ейн штейн. Йому було притаманне непохитне переконання в об’єктивній реальності та єдності світу, яким він керувався в своїх пошуках єди ної теорії фізичних явищ.
Пояснення явищ на основі картини світу відрізняється від пояс нення на основі теорії більшою наочністю, якісним характером. Од нак такі пояснення дуже корисні й потрібні, оскільки вони прокла дають шлях для побудови нових теорій, які здатні дати більш строгі пояснення явищ. У спробах пояснити нові емпіричні дані на основі загальних уявлень про природу, які містить у собі фізична картина світу, можуть народжуватися нові гіпотези, міститися нові поняття і пропозиції.
Отже, фізичну картину світу слід розуміти, як ідеальну модель природи, яка передбачав найзагальніші поняття, принципи і гіпоте зи фізики і яка характеризує певний історичний етап її розвитку. Функція фізичної картини світу полягає не лише у відображенні, а й у поясненні явищ природи, а також у фундаментальній ролі побу дови нових фізичних теорій.
Розвиток фізики XX ст. переконливо засвідчив, що електродина мічну картину світу не слід абсолютизувати, як не слід абсолютизу вати також механічну картину світу.
Головне значення електродинамічної картини світу полягало не в тому, що вона давала універсальну і остаточну картину природи, а в тому, що вона визначила другий етап в історичному ході розвитку фізики. Цей етап розпочався з виникненням електродинаміки Макс велла, а завершився невдалими спробами побудувати єдину теорію поля як універсальної фізичної теорії, яка охоплювала б усі явища природи.
Під час свого формування електродинамічна картина світу ство рювала можливості для виникнення все новіших фізичних теорій, які впливали на її розвиток.
Побудова квантової механіки була б неможливою, якби у працях М. Планка, А. Ейнштейна, Н. Бора не були закладені основи третьої в історії фізики квантово-польової картини світу (рис. 18.8).
Першим етапом квантово-польової картини світу була гіпотеза Планка. Потім А. Ейнштейн зробив наступний крок до побудови нової картини світу, висунув ідею про кванти випромінювання як про струк турні елементи поля. І нарешті, Н. Бор, ґрунтуючись на даних спек троскопії та на елементах атомної фізики, висунув свої відомі посту лати.
Після цього побудова квантово-польової картини світу здійснює ться швидкими темпами в працях JI. де Бройля, Е. Шредінгера і
В.Гейзенберга.
Воснові квантово-польової картини світу лежать якісно нові уяв лення про матерію і рух, взаємодію і взаємозв’язок, причинності і закономірності.
Якщо в основі механічної картини світу лежать корпускулярні уявлення про матерію, в основі електродинамічної картини світу — хвильові, то в квантово-польовій картині світу — корпускулярно-хви- льові уявлення про матерію. Це спонукає відмовитися від лапласів ського детермінізму і звичного розуміння взаємодії. Якщо раніше ще можна було сподіватися на те, що розвиток статистичної фізики і ста тистичних уявлень не торкається класичного розуміння причинності, то тепер остаточно з’ясувалось, що ця надія була безпідставною.
З’ясувалося, що уявлення про світ як механічну або електродина мічну систему мають бути відкинуті. Замість них сформульовано уявлення про світ як про всеохоплювальну квантово-польову систе му, в якій об’єктивні не лише необхідні, а й випадкові події.
Найважливішою особливістю квантово-польової картини світу є те, що вона синтезувала ідеї дискретності, властиві механічній кар тині світу, та ідеї неперервності, властиві електродинамічній кар тині світу. Причому слід наголосити не на простому поєднанні цих
ідей, а на діалектичному синтезі їх, який стосується всіх без винят ку фізичних явищ. Оскільки квантово-польова картина світу зміни ла електродинамічну, для якої головним є поняття неперервності, то в процесі формування квантово-польової картини світу важливо на самперед спиратися на ідею дискретності.
Значення квантово-польової картини світу не можна абсолютизу вати, оскільки істинне її значення полягає не в тому, що вона відоб ражає якусь універсальну й остаточну картину світу. Квантово-по льові уявлення розвиваються так само, як розвивались електроди намічні і механічні уявлення і подібно до того, як у першій половині XX ст. квантово-польова картина світу змінила електродинамічну. Через деякий проміжок часу нова фізична картина, четверта в істо ричному розвитку фізики, неодмінно прийде на зміну сучасній кван тово-польовій картині світу. Отже, квантово-польова картина світу
створила нові можливості для побудови фізичних теорій, а з розвит ком нових теорій розвивалась і сама. Аналізуючи розвиток кванто- во-польової картини світу, можна дійти висновку, що хоча вона й пройшла дві стадії свого розвитку, проте можливості її розширення ще не вичерпані.
Ці положення підтверджуються і конкретизуються при аналізі розвитку фізичних теорій на всіх трьох історичних етапах, які існу вали в розвитку фізики, і пов’язані з відповідними фізичними кар тинами світу. Проведений аналіз засвідчує, що зміна фізичних кар тин світу при їх взаємодії з фізичними теоріями і філософськи ми ідеями можна передати в загальних рисах за допомогою схеми (див. рис. 18.8). У лівому стовпчику розміщено філософські уявлен ня про природу і пізнання, які істотно вплинули на розвиток фізич них картин світу. Середній стовпчик відображає зміну фізичних кар тин світу і їх еволюцію. Правий стовпчик належить до розвитку са мих фізичних теорій. Зв’язки і взаємовпливи фізичних теорій, фізич них картин світу і філософських концепцій показано стрілками. Штриховими лініями показано якісні стрибки, для яких важче про стежити безпосередній логічний зв’язок.
Контрольні запитання і завдання
1.Де і як вперше були виявлені елементарні частинки?
2.Як уточнюються поняття елементарності частинок з розвитком фізики?
3.Назвіть основні властивості елементарних частинок. Дайте пояснення їх.
4.Які ви знаєте фундаментальні фізичні взаємодії у природі? У чому полягає відмінність між ними?
5.Назвіть основні групи елементарних частинок і проаналізуйте їх.
6 . Яку властивість покладено в основу класифікації елементарних частинок?
7. Яка з елементарних частинок має найменшу масу? Чому дорівнює її електрич ний заряд?
8 . До якої групи елементарних частинок належать нейтрино, позитрон, протон, ка-плюс-мезон?
9.Які ви знаєте античастинки в групі мезонів? Охарактеризуйте їхні фізичні властивості.
10. Щ о розуміють під анігіляцією пар? Наведіть приклади такої анігіляції.
11.Якими законами регулюється взаємоперетворення елементарних частинок?
12.У чому полягає суть кваркової моделі М. Гелл-Манна і Дж. Цвейга? Скільки нині відомо кварків і антикварків?
13. Щ о таке «аромат» кварка і його «колір»?
14.Як ви розумієте відкриття Т. Лі, Ч. Янга і Ц. By, що Р-парність не зберігає ться у процесах, зумовлених слабкою взаємодією?
15.Яку роль відіграє «колір» кварків у сучасній теорії сильної взаємодії? Що таке квантова хромодинаміка?
16.Який характер має поділ матерії на речовину і поле? Що є квантом внутрішньо ядерного поля?
висновки
1. Сучасний курс фізики у вищій школі охоплює всі найважливіші розділи класичної й сучасної фізики. З усіх природничих і техніч них дисциплін у вищому навчальному закладі немає таких, які мог ли б зрівнятися з курсом фізики за багатством і різноманітністю ідей, методів дослідження і фундаментальності досягнень науки й техніки, які вивчаються в ньому. Багато галузей сучасної техніки, таких як електронна техніка (у тому числі напівпровідникова), кван това електроніка, ядерна техніка (враховуючи реакторобудування) тощо, настільки переплітаються з фізикою, що стають невіддільни ми від неї. Водночас застосування нових фізичних методів досліджен ня у «класичних» галузях техніки часто приводить до принципово нових інженерних розв’язків багатьох проблем.
2. Відомо, що розвиток науки і техніки визначається економічни ми потребами суспільства. Технічний рівень виробництва значною мірою залежить від стану науки. Історія розвитку фізики і техніки показує, яке велике значення мали відкриття у фізиці для створен ня і розвитку нових галузей техніки. Фізика стала науковим фунда ментом, на якому виросли такі нові галузі техніки, як електро- і радіотехніка, електронна і обчислювальна техніка, космічна техні ка і приладобудування, ядерна енергетика і лазерна техніка. На основі досягнень фізичної науки розробляються нові й більш досконалі методи виробництва, прилади і установки.
У свою чергу, техніка має великий вплив на прогрес фізики. Відо мо, що саме технічні потреби суспільства привели до розвитку меха ніки, необхідної для спорудження різних будівель. Створення більш економних теплових двигунів сприяло швидкому розвитку термоди наміки. Ці приклади можна продовжити. Розвиток техніки впливає також на вдосконалення експериментальних методів фізичних дослі джень. Упроваджено у виробництво такі сучасні прилади й установ ки, як прискорювачі заряджених частинок, штучні супутники Землі й космічні станції, радіотелескопи, мас-спектрометри, лазери, елек тронні обчислювальні машини.
3. Для нашого часу характерне різке скорочення термінів між на уковими відкриттями, досягненнями сучасної науки і їх упроваджен ням в повсякденну інженерну практику. Поява і розвиток суміжних наукових дисциплін, які знаходяться на межі кількох наук і ґрунту ються на фізиці, істотно розширили можливості подальшого взаємно го проникнення одна в одну різних сфер знання і підвищили практич ний рівень, на якому розв’язується нині багато технічних задач.
Усе це не могло не привести до істотного підвищення вимог, які ставляться до сучасного курсу фізики у вищому навчальному закла ді. Ці вимоги втілюються у підвищення науково-теоретичного рівня курсу.
4. Неважко помітити, що для побудови курсу фізики характерне неперервне поглиблення відомостей про явища природи і законо мірності, які керують процесами в навколишньому світі. Адже ме ханіка вивчалась на макроскопічному рівні, коли об’єктом досліджен ня були макроскопічні тіла, що рухаються зі швидкостями, набагато меншими від швидкості світла у вакуумі, і з масами, значно більши ми від маси атомів і молекул. У спеціальній теорії відносності (СТВ) розглянуто вчення про зв’язок простору-часу з рухомими тілами і частинками. На основі постулатів СТВ вивчалися кінематика і динамі ка рухів зі швидкостями, близькими до швидкості світла у вакуумі.
Наступний, молекулярний рівень вивчення явищ дав змогу з’ясу вати особливості поведінки великих сукупностей атомів і молекул. Молекулярна фізика з її статистичним методом була першим кро ком у мікросвіт — сферу, в якій фізика розвивалася особливо швид ко і досягнуті нею результати мали глибокий, революційний вплив на науку й техніку і повсякденне життя людського суспільства. На молекулярному і внутрішньомолекулярному рівнях вивчення курсу фізики довелося відмовитися для ряду випадків від методів, що засто совуються в макрофізиці. З’явилася потреба у використанні нових, квантових уявлень і нових закономірностей. Перехід до нових кіль кісних масштабів приводить, як наголошує діалектичний матеріалізм, до істотних якісних змін. Тому не дивно, що в мікросвіті діють інші закони, ніж у макросвіті.
5. Вивчення будови і властивостей атомів, атомного ядра і твер дих тіл — досягнення фізики XX ст. Воно стало можливим завдяки, по-перше, швидкому розширенню технічних можливостей експери менту — фактора, який відіграв визначальну роль у розвитку сучасної фізики, і, по-друге, теорії відносності й квантовій механіці, які спри яли революції у фізиці. Вони виникли в першій чверті XX ст. і при вели фізику до усвідомлення тих законів, якими керується мікросвіт. Нині квантова механіка і теорія відносності — це не лише теорії, що дають змогу проникати в таємниці будови атомного ядра і елемен тарних частинок. Теорія відносності вже давно є основою для одер жання розрахункових інженерних формул прискорювальної техні
