ЕВОЛЮЦІЯ ФІЗИЧНОЇ КАРТИНИ СВІТУ Що таке картина світу? Картина світу — це систематизована інформація людини про світ. Зокрема, фізична картина світу — це здатність людини усвідомлювати контекст фізичних знань (сказати з внутрішнім переконанням, що цей факт узгоджується з моїми знаннями про світ). В основі пояснення явищ природи з точки зору фізики лежать фундаментальні фізичні поняття і принципи. До найбільш загальних, фундаментальних понять фізичного опису природи належать: матерія, рух, фізична взаємодія, простір і час, причинно-наслідкові зв’язки, місце та роль людини у світі. Механічна картина світу. Першою картиною світу була механічна. Її формування відбувалося впродовж декількох століть до середини XIX ст. під впливом поглядів видатних мислителів стародавнього світу: Демокріта, Епікура, Аристотеля, Лукреція та ін. Вона стала необхідним і дуже важливим кроком на шляху пізнання природи. Імена вчених, що внесли основний вклад у створення механічної картини світу: Миколай Копернік, Галілео Галілей, Рене Декарт, Ісаак Ньютон, П’єр-Симон Лаплас та ін. Основні риси механічної картини світу. Усі матеріальні тіла складаються з молекул, що перебувають у безперервному й хаотичному русі. Матерія — речовина, що складається з неподільних частинок. Взаємодія тіл здійснюється згідно з принципом далекодії (безпосередньої дії тіл на відстані), миттєво на будь-якій відстані (закон всесвітнього тяжіння, закон Кулона), або при безпосередньому контакті (сили пружності, сили тертя). Простір — порожнє вмістилище тіл. Увесь простір заповнює невидима невагома «рідина» — ефір. Час — проста тривалість процесів. Час абсолютний — такий, що розглядається й оцінюється поза зв’язком з навколишнім середовищем. Картина світу будувалася на досить очевидних і простих механічних аналогіях. Увесь рух відбувається на основі законів механіки Ньютона, усі спостережувані явища й перетворення зводяться до механічних переміщень і зіткнень атомів і молекул. Світ виглядає як колосальна машина з величезною кількістю деталей, важелів, коліс. Так само пояснюються і процеси, що відбуваються в живій природі. Механіка описує всі процеси мікросвіту та макросвіту. У механічній картині світу панує вчення про загальний закономірний зв’язок і причинну обумовленість усіх явищ у природі. Механіка й оптика становили основний зміст фізики до початку XIX ст. І в повсякденній практичній діяльності людей головні висновки класичної механіки не приводили до протиріч із дослідними даними. Проте пізніше, з розвитком засобів вимірювання, стало відомо, що при вивченні багатьох явищ, наприклад небесної механіки, необхідно враховувати складні ефекти, пов’язані з рухом частинок зі швидкостями, близькими до швидкості світла. З’явилися рівняння спеціальної теорії відносності, що важко вміщуються в рамки механічних уявлень. Вивчаючи властивості мікрочастинок, учені з’ясували, що в явищах мікросвіту частинки можуть мати властивості хвилі. Виникли труднощі при поясненні електромагнітних явищ (випускання, поширення й поглинання світла, електромагнітної хвилі), які не могли бути пояснені класичною ньютонівською механікою. Проте з розвитком науки механічна картина світу не була відкинута, а лише був розкритий її відносний характер. Механічна картина світу використовується й зараз у багатьох випадках, коли, наприклад, у явищах, що розглядаються нами, матеріальні об’єкти рухаються з невеликими швидкостями, і ми маємо справу з невеликими енергіями взаємодії. Механічний погляд на світ, як і раніше, залишається актуальним, коли ми споруджуємо будівлі, будуємо дороги й мости, проектуємо греблі та прокладаємо канали, розраховуємо крило літака або вирішуємо інші численні завдання, що виникають в нашому повсякденному людському житті. Електромагнітна картина світу. У другій половині XIX ст. на основі досліджень в області електромагнетизму сформувалася нова фізична картина світу — електромагнітна. У її формуванні зіграли вирішальну роль дослідження, проведені видатними вченими Майклом Фарадеєм, Джеймсом Максвелом і Генріхом Герцом. Майкл Фарадей, відмовляючись від концепції далекодії, вводить поняття фізичного поля, яке відіграє значну роль у подальшому розвитку науки і техніки (радіозв’язок, телебачення, супутниковий зв’язок). Джеймс Максвел розвиває теорію електромагнітного поля, а Генріх Герц експериментально відкриває електромагнітні хвилі. В електромагнітній картині світу весь світ заповнений електромагнітним ефіром, який може перебувати в різних станах. Фізичні поля трактувалися як стани ефіру. Ефір є середовищем для поширення електромагнітних хвиль і, зокрема, світла. Матерія вважається безперервною. Усі закони природи зводяться до рівнянь Джеймса Максвела, що описують безперервний рух матерії: природа не робить стрибків. Речовина складається з електрично заряджених частинок, що взаємодіють між собою за допомогою полів. Робляться спроби звести механічний опис явищ до опису на основі теорії електромагнітного поля. Трактування явищ на основі електромагнетизму здається витонченим і закінченим. Усе різноманіття явищ природи зведене до кількох математично строгих, хоча і дуже складних, співвідношень. Електромагнітна картина світу розширюється, уточнюється й поглиблюється. Змінюються уявлення учених про простір і час. З’являються перші роботи Альберта Ейнштейна з теорії відносності. У наукових роботах зароджуються нові погляди на природу тяжіння, відмінні від тих, що розвивалися в механічній картині світу. Учені виявляють «розширення» галактик, будують усе нові й нові моделі атома, прагнучи дізнатися, яка з них все-таки найближча до істини. Найбільш красивою й точною є планетарна модель атома, створена Ернестом Резерфордом. Саме вона стала відправною точкою для появи абсолютно нових поглядів на будову світу. Уже наприкінці XIX — на початку XX ст. експериментальні дані, отримані при вивченні мікро- й мегасвіту, різко розходилися з існуючими теоріями. Виникла необхідність створення абсолютно нової теорії — квантової. (Квант (від лат. quantum «скільки») — неділима порція якої-небудь величини у фізиці.) Розвиток уявлень про природу світла. Першим зрозумів важливість ідеї квантування Альберт Ейнштейн, який у 1905 р. з квантових позицій пояснив фотоелектричний ефект (явище виривання електронів з поверхні металу під дією світла), за що йому було присуджено Нобелівську премію. Фотоефект та інші експерименти міцно утвердили квантову (корпускулярну) теорію світла. Проте класичні досліди Томаса Юнга та інших дослідників з вивчення оптичних явищ доводять хвильову теорію світла. Постає дилема: одні експерименти доводять, що світло поводить себе як хвиля, а інші — як потік частинок. Яку з теорій світла — хвильову чи корпускулярну — вважати визначальною? Для виходу із цієї ситуації данський фізик Нільс Бор запропонував принцип доповнюваності, згідно з яким для пояснення природи світла слід використовувати і корпускулярні, і хвильові властивості світла — як дві складові його природи, що доповнюють одна одну. Хвильові та квантові властивості світла не можна протиставляти. Властивості неперервності, характерні для електромагнітного поля світлової хвилі, не виключають властивостей дискретності, характерних для квантів світла — фотонів. (Квант світла — мінімальна порція світлової енергії, що локалізована в частинці, яку називають фотоном.) Дане поняття ввів Альберт Ейнштейн, пояснюючи закони фотоефекту. Таким чином, світло має електромагнітну природу і йому притаманні двоїсті квантово-хвильові властивості, саме цю двоїстість мають на увазі, коли говорять про корпускулярно-хвильовий дуалізм світла. У видимого світла квантові та хвильові властивості проявляються однаковою мірою. Для інших видів випромінювання спостерігається важлива закономірність: на малих частотах більшою мірою проявляються хвильові властивості (наприклад, для радіовипромінювання), а на великих частотах — квантові (наприклад, рентгенівське випромінювання). Сучасна квантово-польова фізична картина світу. На зміну механічній і електромагнітній картинам світу приходить квантово-польова. У квантово-польовій картині світу виникає нова концепція — квантово- хвильове поле, яке є найбільш фундаментальною й універсальною формою матерії, що лежить в основі усіх її проявів, як хвильових, так і корпускулярних. Основоположниками нової фізичної картини світу стали Макс Планк, Нільс Бор, Луї де Бройль, Ервін Шредінгер, Поль Дірак, Вернер Гейзенберг і багато інших не менш відомих і видатних учених. Центральними поняттями нової картини світу стали поняття «квант енергії», «дискретні стани», «корпускулярно-хвильовий дуалізм». За критерієм рівнів організації матерії виділяють фізику мікро-, макроі мегасвіту. За характером процесів, явищ і форм руху (взаємодії) розрізняють механічні, електромагнітні, квантові та гравітаційні явища, теплові й термодинамічні процеси та галузі фізики, що відповідають їм: механіку, електродинаміку, квантову фізику, теорію гравітації, термодинаміку і статистичну фізику. На перше місце у вивченні явищ природи висунулися квантова механіка і квантова електродинаміка. У квантово-польовій картині світу описуються чотири види фундаментальних силових взаємодій, виникають нові уявлення про матерію, рух, взаємодію, енергію, масу. Розглядаються, вивчаються та пояснюються явища, що залишалися загадковими в перших картинах світу. Вирішуються завдання, нерозв’язні для механічної й електромагнітної картин світу. Ми знаємо, як влаштований мікросвіт до відстаней 10-17 м і мегасвіт до відстаней 1027 м. Ніколи ще ми не знали про природу так багато й точно. І електричний струм у напівпровідниках (дослідження якого надало нам сучасні інформаційні засоби зв’язку, комп’ютери); і надпровідність та нанотехнології (з якими зв’язують майбутнє цивілізації); і нові конструкційні матеріали (сучасна хімія — це квантова хімія); і джерела енергії, завдяки яким ми зберегли нашу біосферу придатною для існування людини й усіх організмів, та ще багато іншого — усе це розглядається й пояснюється квантовопольовою картиною світу. Крім того, розвиток квантово-польової картини світу ще раз продемонстрував нам важливість механічної та електромагнітної картин світу, вказавши на те, що вони вірно відбивали багато об’єктивних властивостей навколишнього світу, абсолютизуючи проте окремі його сторони. Фізична картина світу — це фізична модель природи, що включає фундаментальні фізичні та філософські ідеї, фізичні теорії, найбільш загальні поняття, принципи й методи знання, що відповідають певному історичному етапу розвитку фізики. Фізична картина світу є частиною загальнонаукової картини світу.
