26. Структурная физика. Корпускулярный подход к описанию и объяснению природы. Редукционизм

Объектами структурной физики являются элементы структуры вещества (например, молекулы, атомы, элементарные частицы) и более сложное образование из них. Это:

1) плазма - это газ, в котором значительная часть молекул или атомов ионизирована;

2) кристаллы - это твердые тела, в которых атомы или молекулы расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру;

3) жидкости - это агрегатное состояние вещества, которое сочетает в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы).

Для жидкости характерны:

а) ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов);

б) малое различие в кинетической энергии теплового движения и их потенциальной энергии взаимодействия.

4) звезды, т.е. светящиеся газовые (плазменные) шары.

При выделении структурных уравнений вещества пользуются такими критериями:

- пространственные размеры: частицы одного уровня имеют пространственные размеры одного порядка (например, все атомы имеют размеры порядка 10^-8 см);

- время протекания процессов: на одном уровне оно примерно одного порядка;

- объекты одного уровня состоят из одних и тех же элементов (например, все ядра состоят из протонов и нейтронов);

- законы, объясняющие процессы на одном уровне, качественно отличаются от законов, объясняющих процессы на другом уровне;

- объекты разных уровней различаются по основным свойствам (например, все атомы электрически нейтральны, а все ядра положительно электрически заряжены).

По мере открытия новых уровней структуры и состояний вещества объектная область структурной физики расширяется.

Необходимо учитывать, что при решении конкретных физических задач вопросы, связанные с выяснением структуры, взаимодействия и движения, тесно переплетаются.

В основе структурной физики лежит корпускулярный подход к описанию и объяснению природы.

Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло в Античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа-Демокрита. Согласно этому взгляду в мире существуют только атомы, которые движутся в пустоте. Непрерывность материи древние атомисты считали кажущейся. Различные комбинации атомов образуют разнообразные видимые тела. Эта гипотеза не основывалась на данных экспериментов. Она была лишь гениальной догадкой. Но она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания.

Гипотеза об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании, в частности, в физике и химии для объяснения некоторых закономерностей, которые устанавливались опытным путем (например, законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел и т.д.). Действительно, закон Бойля-Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но он не объясняет, почему это так. Аналогично, при нагревании тела его размеры увеличиваются. Но какова же причина такого расширения? В кинетической теории вещества с помощью атомов и молекул объясняются эти и другие установленные опытом закономерности.

Действительно, непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давления газа при увеличении его объема в кинетической теории вещества объясняется как увеличение свободного пробега составляющих его атомов и молекул. Именно вследствии этого и возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому, расширение тел при нагревании в кинетической теории вещества объясняют возрастанием средней скорости движущихся молекул.

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пытаются свести к свойствам более простых их элементов или составных частей, называют редукционизмом. Такой способ анализа позволил решить в естествознании большой класс задач.

Вплоть до конца XIX в. считалось, что атом - это мельчайшая, неделимая, бесструктурная частица вещества. Однако, открытия электрона, радиоактивности показали, что это не так. Возникает планетарная модель атома Резерфорда. Потом ее сменяет модель Н. Бора. Но по-прежнему мысль физиков устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц. Впоследствии эти частицы были названы элементарными. Сейчас их общее число превышает 350. Поэтому вряд ли все такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков. Согласно ей, известные элементарные частицы состоят из частиц с дробными электрическими зарядами. Их называют кварками.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, кроме фотона, могут быть отнесены к двум группам:

1) адроны. Для них характерно наличие сильного взаимодействия. Однако они могут участвовать также в слабом и электромагнитном взаимодействиях;

2) лептоны. Они участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

По времени жизни различают:

а) стабильные элементарные частицы. Это электрон, фотон, протон и нейтрино;

б) квазистабильные. Это частицы, которые распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Например, к⁺  ⁺ + ;

в) нестабильные. Они распадаются за счет сильного взаимодействия, например, нейтрон.

Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. Кроме того, элементарные частицы делят на пары частица – античастица, например е^- - е⁺ (у них все характеристики одинаковы, а знаки электрического заряда противоположны). Электрически нейтральные частицы тоже имеют античастицы, например, п - , - .

Итак, атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи. Атомистический подход объясняет свойства физического объекта, исходя из свойств составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически, такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, а сейчас - кварки. Трудность такого подхода — это полная редукция сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

Вплоть до конца первой четверти ХХ века идея единства строения макро- и микрокосмоса понималась механистически, как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого.

Микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел, т.е. как чрезвычайно малые шарики (корпускулы), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связываются силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы — силами электрического взаимодействия.

После открытия электрона (Томсон, 1897 г.), создания теории квантов (Планк, 1900 г.), введения понятия фотон (Эйнштейн, 1905 г.), атомное учение приобрело новый характер. Идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений, на понятие энергии (в XIX веке учение об энергии служило сферой представления о непрерывных величинах и функциях состояния). Важнейшую черту современного атомного учения составляет атомизм действия. Он связан с тем, что движение, свойства и состояния различных микробъектов поддаются квантованию, т.е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений. Новая атомистика признает относительную устойчивость каждого дискретного вида материи, его качественную определенность, его относительную неделимость и непревращаемость в известных границах явлений природы. Например, будучи делимым некоторыми физическими способами, атом неделим химически, т.е. в химических процессах он ведет себя как нечто целое, неделимое. Молекула, будучи делима химически на атомы, в тепловом движении (до известных пределов) ведет себя как целое, неделимое и т.д.

Особенно важно в концепции новой атомистики признание взаимопревращаемости любых дискретных видов материи.

Разные уровни структурной организации физической реальности (кварки, микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела, мегасистемы) имеют свои специфические физические законы. Но как бы ни отличались изучаемые явления от явлений, изучаемых классической физикой, все опытные данные должны описываться с помощью классических понятий. Существует принципиальное различие между описанием поведения изучаемого микрообъекта и описанием действия измерительных приборов. Это результат того, что действие измерительных приборов в принципе должно описываться языком классической физики, а изучаемый объект может и не описываться этим языком.

Корпускулярный подход в объяснении физических явлений и процессов всегда сочетался с континуальным подходом с момента возникновения физики взаимодействия. Он выражался в понятии поля и раскрытии его роли в физическом взаимодействии. Представление поля как потока определенного рода частиц (квантовая теория поля) и приписывание любому физическому объекту волновых свойств (гипотеза Луи де Бройля) соединила вместе эти два подхода к анализу физических явлений.