Макросвіт концепції класичного природознавства
В історії вивчення природи можна виділити два етапи: донауковий і науковий.
Донауковий, чи натурфілософський, охоплюємо період від античності до становлення експериментального природознавства в XVI—XVI1 ст. У цей період вчення про природу мали суто натурфілософський характер, природні явища, що спостерігалися, пояснювалися на основі умоглядних філософських принципів.
Найбільш значущою для подальшого розвитку природничих наук була концепція дискретної будови матерії - атомізм, за яким всі тіла складаються з атомів - найдрібніших у світі частинок.
Античний атомізм був першою теоретичною програмою пояснення цілого як суми окремих складових його частин. Вихідними початками в атомізмі виступали атоми та порожнеча. Сутність протікання природних процесів пояснилася на основі механічної взаємодії атомів, їх тяжіння та відштовхування. Механічна програма опису природи, вперше висунута в античному атомізмі, найповніше реалізувалася в класичній механіці, зі становлення якої починається науковий етап вивчення природи.
Оскільки сучасні наукові ставлення до структурних рівнях організації матерії виробили під час критичного переосмислення уявлень класичної науки, застосовних лише до об'єктів макрорівня, то починати дослідження треба з концепцій класичної фізики.
Формування наукових поглядів на будову матерії відноситься до XVI ст., коли Г. Галілеєм було закладено основу першої в історії науки фізичної картини світу - механічної. Він не просто обґрунтував геліоцентричну систему М. Коперника та відкрив закон інерції, а розробив методологію нового способу опису природи – науково-теоретичного. Суть його полягалау тому, що виділялися лише деякі фізичні та геометричні характеристики, які ставали предметом наукового дослідження. Виділення окремих характеристик об'єкта дозволяло будувати теоретичні моделі та перевіряти їх в умовах наукового експерименту. Ця методологічна концепція, вперше сформульована Галілеєм у праці «Пробірні ваги», вплинула на становлення класичного природознавства.
І. Ньютон, спираючись на праці Галілея, розробив сувору наукову теорію механіки, що описує і рух небесних тіл, і рух земних об'єктів одними і тими самими законами. Природа розглядалася як складна механічна система.
У межах механічної картини світу, розробленої І. Ньютоном та її послідовниками, склалася дискретна (корпускулярная) модель реальності Матерія розглядалася як речовинна субстанція, що з окремих частинок — атомів чи корпускул. Атоми абсолютно міцні, неподільні, непроникні, характеризуються наявністю маси та ваги. Істотною характеристикою ньютонівського світу був тривимірний простір евклідової геометрії, який абсолютно постійно й завжди перебуває у спокої. Час представлялося як величина, яка залежить ні від простору, ні від матерії.
Філософське обґрунтування механічного розуміння природи дав Р. Декарт з його концепцією абсолютної дуальності (незалежності) мислення та матерії, з якої випливало, що світ можна описати абсолютно об'єктивно, без урахування людини-спостерігача. Це переконання, глибоко співзвучне поглядам Ньютона, на десятиліття наперед визначило спрямованість розвитку природничих наук.
Підсумком ньютонівської картини світу став образ Всесвіту як гігантського і повністю детермінованого механізму, де події та процеси являють собою ланцюгвзаємозалежних причин та наслідків. Звідси й віра в те, що теоретично можна точно реконструювати будь-яку минулу ситуацію у Всесвіті або передбачити майбутнє абсолютної визначеності. І. Р. Пригожин назвав цю віру в безмежну передбачуваність «основним міфом класичної науки».
Механістичний підхід до опису природи виявився надзвичайно плідним. Слідом за ньютонівською механікою було створено гідродинаміку, теорію пружності, механічну теорію тепла, молекулярно-кінетичну теорію та цілу низку інших, у руслі яких фізика досягла величезних успіхів. Однак були дві області — оптичні та електромагнітні явища, які не могли бути повністю пояснені в рамках механістичної картини світу.
Розробляючи оптику, І. Ньютон, наслідуючи логіку свого вчення, вважав світло потоком матеріальних частинок - корпускул. У корпускулярній теорії світла І. Ньютона стверджувалося, що тіла, що світяться, випромінюють дрібні частинки, які рухаються у згоді з законами механіки і викликають відчуття світла, потрапляючи в око. На основі цієї теорії І. Ньютоном було дано пояснення законам відображення та заломлення світла.
Поряд із механічною корпускулярною теорією, здійснювалися спроби пояснити оптичні явища принципово іншим шляхом, саме на основі хвильової теорії, сформульованої X. Гюйгенсом. Хвильова теорія встановлювала аналогію між поширенням світла та рухом хвиль на поверхні води або звукових хвиль у повітрі. У ній передбачалося наявність пружного середовища, що заповнює весь простір, світлоносного ефіру Поширення світла розглядалося як поширення коливань ефіру, кожна окрема точка ефіру коливається у вертикальному напрямку, а коливання всіх точок створюють картину хвилі, яка переміщається в просторі відодного моменту часу до іншого. Головним аргументом на користь своєї теорії X. Гюйгенс вважав той факт, що два промені світла, перетинаючи, пронизують один одного без будь-яких перешкод у точності, як два ряди хвиль на воді.
Відповідно до корпускулярної теорії, між пучками вивчених частинок, якими є світло, виникали б зіткнення або, принаймні, будь-які обурення. Виходячи з хвильової теорії X. Гюйгенс успішно пояснив відображення та заломлення світла.
Хвильова теорія світла знову висунуто у перші десятиліття ХІХ ст. англійським фізиком Т. Юнгом та французьким натуралістом О. Ж. Френелем. Т. Юнг дав пояснення явищу інтерференції, т. е. появі темних смужок при накладенні світла світ. Суть її можна описати за допомогою парадоксального твердження, світло, додане до світла, не обов'язково дає сильніше світло, але може давати слабший і навіть темряву. Причина цього полягає в тому, що згідно з хвильовою теорією, світло являє собою не потік матеріальних частинок, а коливання пружного середовища середовища, або хвильовий рух. При накладенні один на одного ланцюжків хвиль у протилежних фазах, де гребінь однієї хвилі поєднується з западиною іншої, вони знищують один одного, у результаті з'являються темні смуги.
Іншою областю фізики, де механічні моделі виявилися неадекватними, була область електромагнітних явищ. Експерименти англійського натураліста М. Фарадея і теоретичні роботи англійського фізика Дж. К. Максвелла остаточно зруйнували уявлення ньютонівської фізики про дискретну речовину як єдиний вид матерії і започаткували електромагнітну картину світу.
Явище електромагнетизму відкрив датський натураліст Х. К. Ерстед, який вперше помітив магнітну діюелектричних струмів. Продовжуючи дослідження у цьому напрямі, М. Фарадей виявив, що тимчасове зміна магнітних полях створює електричний струм. Осмислюючи свої експерименти, він запровадив поняття «силові лінії». М. Фарадей, що володів талантом експериментатора і багатою уявою, з класичною ясністю уявляв собі дію електричних сил від точки до точки в їхньому «силовому полі». На основі свого уявлення про силові лінії він припустив, що існує глибоке спорідненість електрики та світла, і хотів побудувати та експериментально обґрунтувати нову оптику, в якій світло розглядалося б як коливання силового поля. Ця думка була надзвичайно смілива для того часу, але вона була гідна дослідника, який вважав, що тільки той знаходить велике, хто досліджує малоймовірне.
Фарадей дійшов висновку, що вчення про електрику та оптика взаємопов'язані та утворюють єдину пунктом досліджень Дж. К. Максвелла, заслуга якого полягає в математичній розробці ідей М. Фарадея про магнетизм та електрику. Використовуючи високорозвинені математичні методи, Максвелл переклав модель силових ліній Фарадея в математичну формулу. Поняття «поле сил» спочатку складалося як допоміжне математичне поняття. Дж. К. Максвелл надав йому фізичного змісту і став розглядати поле як самостійну фізичну реальність. «Електромагнітне поле — це та частина простору, яка містить у собі та оточує тіла, що знаходяться в електричному чи магнітному стані«1. Узагальнивши встановлені раніше експериментальним шляхом закони електромагнітних явищ (Кулона, Ампера, Біо-Савара) та відкрите М. Фарадеєм явище електромагнітної індукції, Максвелл суто математичним шляхом знайшов систему диференціальних рівнянь, що описують електромагнітне поле.Ця система рівнянь дає в межах своєї застосовності повний опис електромагнітних явищ і є настільки ж досконалою і логічно стрункою теорією, як і система ньютонівської механіки.
З рівнянь випливав найважливіший висновок про можливість самостійного існування поля, не прив'язаного до електричних зарядів. У диференціальних рівняннях Максвелла вихори електричного і магнітного полів визначаються похідними у часі від своїх, як від чужих полів: електричне — від магнітного і, навпаки, магнітне — від електричного. Тому якщо змінюється згодом магнітне поле, існує і змінне електричне полі, що у своє чергу веде до зміни магнітного поля. В результаті відбувається постійна зміна векторів напруженості електричного та магнітного полів, тобто виникає змінне електромагнітне поле, яке вже не прив'язане до заряду, а відривається від нього, самостійно існуючи та поширюючись у просторі. Обчислена ним швидкість поширення електромагнітного поля дорівнювала швидкості світла. А тому Максвелл зміг зробити висновок, що світлові хвилі є електромагнітними хвилями. Єдина сутність світла та електрики, яку М. Фарадей припустив у 1845 р., а Дж. К. Максвелл теоретично обґрунтував у 1862 р., була експериментально підтверджена німецьким фізиком Г. Герцом у 1888 р.
В експериментах Г. Герца в результаті іскрових розрядів між двома зарядженими кулями з'являлися електромагнітні хвилі. Коли вони падали на дротяний виток, то створювали в ньому струми, про появу яких свідчили іскри, що проскакують через розрив. Г. Герц успішно провів відображення цих хвиль та їх інтерференцію, тобто ті явища, які характерні для світлових хвиль, а потімвиміряв довжину Максвелла.
Після експериментів Г. Герца у фізиці остаточно електромагнітних хвиль. Знаючи частоту коливань, він зміг підрахувати швидкість поширення електромагнітних хвиль, яка дорівнювала швидкості світла. Це прямо підтвердило гіпотезу утвердилося поняття поля не як допоміжна математична конструкція, а як об'єктивно існуюча фізична реальність. Було відкрито якісно новий, своєрідний вид матерії.
Отже, до кінця ХІХ ст. Фізика дійшла висновку, що матерія існує у двох видах: дискретної речовини та безперервного поля.
• Речовина та поле розрізняються як корпускулярні та хвильові сутності: речовина дискретна і складається з атомів, а поле безперервне.
• Речовина і поле різняться за своїми фізичними характеристиками: частинки речовини мають масу спокою, а поле — ні.
• Речовина і поле різняться за рівнем проникності: речовина мало проникна, а поле, навпаки, повністю проникне.
• Швидкість поширення поля дорівнює швидкості спету, а швидкість руху частинок речовини менша за неї на багато порядків.
В результаті революційних відкриттів у фізиці наприкінці минулого і на початку нинішнього століть виявилося, що фізична реальність єдина і немає прірви між речовиною і полем: поле, подібно до речовини, має корпускулярні властивості, а частинки речовини, подібно до поля, — хвильові.