Фізична картина світу і її роль у розвитку фізики

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.13. Фізична картина світу і її роль у розвитку фізики

Поняття “фізична картина світу” виникло у фізиці разом із формуванням методів теоретичного дослідження.

Коли перша фізична картина світу була розроблена і викладена в ньютонівських “Математичних началах натуральної філософії” (1686 р.), І. Ньютон ще не користувався терміном “наукова картина світу” або “фізична картина світу”, але фактично надавав

це значення поняттю “натуральна філософія”.

Ньютонівська фізична картина світу, не будучи в цьому смислі “натурфілософією”, становила не лише основу для наукового пояснення явищ природи, а й синтез наукових знань свого часу. Оскільки в ті часи механіка була головною наукою, то наукове пояснення природи було механічним, а синтез наукових знань про природу ототожнювався або з самою механікою, або з механічною картиною світу.

Хоча в той час чітко не розмежовувались функції картини світу і самої механіки як фізичної теорії, ці функції фактично відрізнялись. Механічна картина світу не підміняла,

а швидше доповнювала механіку Галілея – Ньютона в її прагненні дати цілісне пояснення всім явищам довкілля. Функції механічної картини світу передбачали пояснення явищ для всіх тих випадків, коли ці явища безпосередньо не могла пояснити механіка. Наприклад, задачу двох тіл розв’язав ще І. Ньютон. Проте більш складну задачу трьох тіл, також сформульовану Ньютоном, тривалий час не було розв’язано. Водночас на основі механічної картини світу прийнято було вважати, що не лише цю задачу, а й будь-які інші аналогічні задачі в принципі можна розв’язати.

Припускалось, що на основі механічної картини світу можна розв’язати будь-яку проблему, пов’язану з явищами природи, якою б грандіозною ця проблема не була. Наприклад, задачу про походження сонячної системи із хаотичної туманності безпосередньо в механіці не можна було розв’язати. Цю проблему в загальному вигляді розвинув на основі механічної картини світу І. Кант у своїй знаменитій космогонічній гіпотезі (1755 р.). Щоправда, пояснення на основі механічної 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. Проте загальне механічне тлумачення їх на основі механічної картини світу не мало особливих ускладнень.

Тому механічна картина світу була засобом механічного пояснення немеханічних явищ і грунтом для спроб побудувати механічні теорії цих явищ (корпускулярна і пружна теорії світла, механічна теорія теплоти, кінетична теорія газів, корпускулярна і пружна теорії електромагнетизму тощо).

Визнавалося, що механічна картина світу може дати пояснення або тлумачення будь-якому явищу природи. Ідеалом наукового пояснення вважалось таке пояснення, яке виходить із простих і наочних механічних моделей.

На початку другої половини XIX ст. виникли перші фізичні теорії, 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 електродинамічного.

У зв’язку з цим виникло чимало важливих проблем. Оскільки уявлення про універсальність механічної картини світу похитнулися, виникла тенденція, з одного боку, розширити основи механіки для того, щоб зберегти стару картину світу, а з іншого – відмовитися від універсалізації механіки і змінити загальні уявлення про природу. Як відомо, на роль головної науки про природу почала претендувати електродинаміка. Однак під час побудови універсальної електродинамічної картини світу зіткнулися з рядом ускладнень (проблема 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 неспроможним, 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. Грунтуючись 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 енергетизму воно визначалося як пустий простір, наділений енергією. У зв’язку з цим уся електродинаміка розглядалася в “енергетичному” аспекті, чому сприяла незвичність і складність її рівнянь.

Наприкінці XIX ст. фізичний зміст рівнянь Максвелла був незрозумілим 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 утвердженню електродинамічної картини світу.

Розуміння науки лише як опис явищ природи зіткнулося з опозицією 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’єктивні умови для критики їхніх загальних поглядів на природу, які грунтувались на нових досягненнях науки і насамперед електродинаміки Максвелла. В результаті цього складалося враження, що матеріалістичні 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. Надійнішим методом пізнання стає описання, що приводить до можливості 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 виникнення фізичної картини світу або її окремих елементів.

У кінці 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 феноменологічного підходу до помилкових висновків.

У поглядах Г. Герца на картину світу виявилася звичайна позиція природодослідника, який стихійно переконаний у реальності зовнішнього 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, причому замість терміна “механічна картина світу” почали застосовувати більш місткий термін “фізична картина світу”. Таким чином енергетичному і феноменологічному підходам протиставлялося стихійно матеріалістичне розуміння науки. У вступі до свого оригінального викладу основ механіки Г. Герц вперше проаналізував поняття “фізична картина світу” і показав його значення для всієї структури фізики і, отже, для поглиблення наших знань про природу.

Лінію розуміння науки як відображення зовнішнього світу і важливості 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 відображення об’єктивної реальності й виступав з цих позицій проти агностицизму 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 доказів того, що побудована ним картина світу дійсно відображає реальний 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 “наукова картина світу” спочатку вживався в галузі філософських питань природознавства, а потім значно поширився і почав застосовуватися для визначення наукового світогляду взагалі, проникаючи в філософію, 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 грунті природничих наук, всеохоплювального наукового світогляду, 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 фізичної картини світу як відображення дійсності. Проте на початку другої 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 хвильової функції для квантових систем, імовірнісний характер зв’язку теорії і досліду, принципи невизначеностей й доповнення та інші незвичні поняття, пов’язані з ними, – все це без належного філософського 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 сучасної 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, аналізуючи методи атомної фізики, з’ясував, що наше пізнання перестало бути наочним.

Слідом за ним В. Гейзенберг дійшов висновку, що зрозуміти неясні 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 грунтуються на мікроявищах, теорія мікроявищ має охопити і макроскопічні явища. Проте це означає, що вся теоретична основа фізики перестає бути наочною, адже теоретичну основу сучасної фізики становлять математичні рівняння, логічні принципи, уявні конструкції тощо.

Нині всю теоретичну основу фізики почали сприймати не як безпосередню “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 взагалі 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 емпіричну і суб’єктивістську суть позитивізму. Позитивісти вважають, що теоретичною основою фізики є деяка логічна схема описання, і відповідно до своїх суб’єктивістських підходів до природи відмовились від визнання об’єктивного значення фізичної картини світу.

Проте легко переконатися, що таким протиставленням ще не спростовується можливість фізичної картини світу. Сучасна фізична картина 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 надзвичайна 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 інтерпретації, сприяли проникненню в методологію наукового пізнання ідеалістичних уявлень. Особливо наочно це видно на прикладі методології пізнання А. Еддінгтона. Він дійшов висновку, що знання, які встановлено фізичними методами, є цілком суб’єктивними.

Найбільш настирливим прихильником тлумачення квантової механіки без істотних змін попередніх фізичних картин світу був А. Ейнштейн. Йому було притаманне непохитне переконання в об’єктивній реальності та єдності світу, яким він керувався в своїх пошуках єдиної теорії фізичних явищ.

Пояснення явищ на основі картини світу відрізняється від пояснення на основі теорії більшою наочністю, якісним характером. Однак такі пояснення дуже корисні й потрібні, оскільки вони прокладають 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 передбачає найзагальніші поняття, принципи і гіпотези 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 побудови нових фізичних теорій.

Розвиток фізики XX ст. переконливо засвідчив, що електродинамічну картину світу не слід абсолютизувати, як не слід абсолютизувати 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 створювала 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).

 Фізична картина світу і її роль у розвитку фізики

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 структурні елементи поля. І нарешті, Н. Бор, грунтуючись на даних спектроскопії та на елементах атомної фізики, висунув свої відомі постулати.

Після цього побудова квантово-польової картини світу здійснюється швидкими темпами в працях Л. де Бройля, Е. Шредінгера і В. Гейзенберга.

В основі квантово-польової картини світу лежать якісно нові уявлення 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-хвильові уявлення про матерію. Це спонукає відмовитися від лапласівського детермінізму і звичного розуміння взаємодії. Якщо раніше ще можна було сподіватися на те, що розвиток статистичної фізики і статистичних 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 електродинамічну систему мають бути відкинуті. Замість них сформульовано уявлення про світ як про всеохоплювальну квантово-польову систему, 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 картині світу, та ідеї неперервності, властиві електродинамічній картині світу. Причому слід наголосити не на простому поєднанні цих ідей, а на діалектичному синтезі їх, який стосується всіх без винятку фізичних явищ. Оскільки квантово-польова картина світу змінила електродинамічну, для якої головним є поняття неперервності, то в процесі формування квантово-польової картини світу важливо насамперед спиратися на ідею дискретності.

Значення квантово-польової картини світу не можна абсолютизувати, оскільки істинне її значення полягає не в тому, що вона відображає якусь універсальну й остаточну картину світу. Квантово-польові уявлення розвиваються так само, як розвивались електродинамічні 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 історичному розвитку фізики, неодмінно прийде на зміну сучасній квантово-польовій картині світу. Отже, квантово-польова картина світу створила нові можливості для побудови фізичних теорій, а з розвитком нових теорій розвивалась і сама. Аналізуючи розвиток квантово-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 існували в розвитку фізики, і пов’язані з відповідними фізичними картинами світу. Проведений аналіз засвідчує, що зміна фізичних картин світу при їх взаємодії з фізичними теоріями і філософськими ідеями можна передати в загальних рисах за допомогою схеми (див. рис. 18.8). У лівому стовпчику розміщено філософські уявлення про природу і пізнання, які істотно вплинули на розвиток фізичних картин світу. Середній стовпчик відображає зміну фізичних картин світу і їх еволюцію. Правий стовпчик належить до розвитку самих фізичних теорій. Зв’язки і взаємовпливи фізичних теорій, фізичних картин світу і філософських концепцій показано стрілками. Штриховими лініями показано якісні стрибки, для яких важче простежити безпосередній логічний зв’язок.




Фізична картина світу і її роль у розвитку фізики - Довідник с фізики


Фізична картина світу і її роль у розвитку фізики