Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский,охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-ХVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи – атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов – мельчайших в мире частиц.

Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научныйэтап изучения природы.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеембыла заложена основа первой в истории науки физической картины мира – механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперникаи открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования.

Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов или корпускул. Атомы очень прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

В основу механической картины мира был положен ряд принципов. Во-первых, мир в этой картине строился по законам механики Ньютона, применимой к любым телам, мелким и крупным. Во-вторых, неявно допускалось, что между объектами микро- и макромира нет принципиальной разницы. В-третьих, предполагалось, что какое-то развитие, качественное изменение в природе отсутствует. В-четвертых, все причинно – следственные связи считались однозначными, предопределенными.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц – корпускул. В корпускулярной теориисвета И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.

Сторонники механической картины мира пытались все многообразие природы описать в рамках механики Ньютона. Однако развитие физики к середине XIX века показало, что это осуществить невозможно. В этих условиях возрос интерес к альтернативной континуальной традиции описания природы.

Эта традиция всегда существовала параллельно с корпускулярной традицией. Ее основателем можно считать Анаксагора, считавшего, что пустоты в природе нет, и все пространство непрерывно заполнено материей, находящейся в непрерывном движении. Развивая дальше эту традицию, Аристотель считал, что изначально Космос заполнен «первичной материей». Под действием «первичных сил» она приобретает вид одной из четырех «стихий» (огня, воздуха, воды и земли). «Стихии» могут вступать в различные соединения друг с другом, образуя разнообразные вещества, из которых уже строятся наблюдаемые тела.

В эпоху Возрождения активным сторонником континуальной традиции был Декарт. Он считал, что все пространство заполнено материей, пустота и атомы в природе отсутствуют. Материя делима до бесконечности и находится в непрерывном движении, которое имеет вихреобразный характер. Все взаимодействия в ней происходят путем давления или столкновений. Очень важную роль в развитии континуальной традиции сыграли в конце XVIII века взгляды Бошковича. Хотя он упоминает об атомах, атомы у него – это не частицы вещества, а геометрические точки, рассматриваемые как силовые центры. Интенсивность взаимодействия двух центров, находящихся в пустоте, зависит от расстояния между ними и имеет характер притяжения либо отталкивания. Так в физику впервые были введены силовые поля.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно – на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом.

В XIX веке главной ареной применения континуальных воззрений стала теория электромагнетизма. О. Френелем была развита волновая теория света, а А.Ампер осуществил анализ магнитного поля. Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: "Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии".

Дальнейшее развитие континуальной традиции в конце XIX века было связано с именами Г. Герца и Г. Лоренца в области электромагнетизма и Г.Гельмгольца и Дж. Рэлея в области теории волн любой природы. После экспериментов Г.Герца в физике окончательно утвердилось понятия поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Его итогом явился отказ от механической картины мира и замена ее электродинамической картиной мира.

Таким образом, если в механической картине мира все многообразие мира сводилось к дискретным частицам (корпускулам), подчиняющимся теории Ньютона, то в электродинамической картине мира то же самое многообразие сводилось к непрерывным полям (континууму), подчиняющимся теории Максвелла. Следует при этом подчеркнуть, что хотя состояние физической системы в классической электродинамике качественно отличается от состояния системы в классической механике, их развитие со временем подчиняется одинаковым закономерностям, соответствующим однозначным причинно-следственным связям между состояниями в различные моменты времени. Так физика впервые встретилась с принципиальными противоречиями между двумя фундаментальными физическими теориями: одна из них полностью отрицала другую. Разрешение этого противоречия означало революцию в физике, завершившую классический этап ее развития.

К началу XX века многим физикам стало ясно, что реальная природа не может быть всесторонне описана в рамках односторонних либо механической, либо электродинамической картин мира. Необходимо было выдвинуть принципиально новые идеи, которые позволили бы объединить две системы столь противоположных взглядов на природу в некой общей теории. Важную роль в подготовке новых идей сыграл А. Пуанкаре, первым высказавший идею относительности всех явлений природы. На заключительном этапе решающий вклад в создание целостной теории внес А. Эйнштейн, сформулировавший в 1905г. фундаментальную теорию релятивистской классической физики.

В рамках этой теории материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

1. Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

2. Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле – нет.

3. Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

4. Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

Наконец, в этой теории было достигнуто объективное описание природы, а свойства пространства и времени удалось связать со свойствами материи. Установленные в ней законы природы не зависят от выбора системы отсчета, а движение материальных объектов происходит в целостном пространстве – времени. Наиболее общие свойства симметрии пространства – времени однородность и изотропность приводят к фундаментальным законам сохранения фундаментальных физических величин – энергии, импульса и момента, в которые в равной мере дают вклад и вещество, и электромагнитное излучение. Это был величайший триумф классической физики. Однако это объединение не было полным слиянием, ибо на макроуровне вещество и электромагнитное излучение представляет собой качественно различные объекты. Описывающие их законы не знают различия между большим и малым и поэтому без ограничений должны быть применимы к любым малым порциям вещества и излучения. Поскольку на опыте это оказалось не так, возникла кардинальная проблема – как сочетать надежность измерений физических величин и целостность состояний системы с их сложностью. Эту проблему удалось решить только в рамках квантовой физики, что открыло дорогу к смене типа научной рациональности и развитию неклассического естествознания в XX веке.