Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 28. Фундаментальні взаємодії в природі. Роль фізичної та астрономічної наук у формуванні наукового світогляду сучасної людини. Єдина природничо-наукова картина світу

Фізики встановили існування чотирьох видів взаємодії між частинками: сильна, електромагнітна, слабка та гравітаційна (у порядку зменшення інтенсивності). Сучасні теорії всіх взаємодій є квантовими.

Найуніверсальнішою із взаємодій є гравітаційна, вона виникає між будь-якими тілами, що мають масу. У фізиці частинок гравітаційна взаємодія не відіграє майже ніякої ролі на відстанях, більших за 10-35 м. При менших відстанях або дуже великих енергіях ця взаємодія за значенням порівнюється з іншими взаємодіями.

Електромагнітна взаємодія виникає між тілами, що мають електричний заряд. Слабка і сильна взаємодії — ядерні. Слабка взаємодія керує розпадом більш важких частинок на більш легкі та змінює внутрішню природу частинок. Сильна взаємодія — це взаємодія між кварками (складові частинки ядра), яка й обумовлює ядерну взаємодію, а також різні ядерні реакції. Ця взаємодія майже в 1037 разів сильніша за гравітаційну.

Кожній фундаментальній взаємодії відповідає своя частинка, яка переносить цю взаємодію. Як же здійснюються ці взаємодії? Механізм взаємодій один: за рахунок обміну іншими частинками — переносниками взаємодії.

Електромагнітна взаємодія: переносник — фотон. Гравітаційна взаємодія: переносники — кванти поля тяжіння — гравітони. І фотони, і гравітони не мають маси (маси спокою) і завжди рухаються зі швидкістю поширення світла. Слабкі взаємодії: переносники — векторні бозони. Істотною відмінністю переносників слабкої взаємодії від фотона й гравітона є їхня масивність. Переносники сильних взаємодій — глюони (від англ. glue — «клей») з масою спокою, що дорівнює нулю.

Ряд істотних відкриттів, зроблених у фундаментальній фізиці, особливо у фізиці високих енергій, важливі експериментальні результати відкривають глибокий взаємозв’язок частинок і прихованих сил, що діють усередині речовини. Учені висунули ідею, згідно з якою вся природа підпорядкована дії якоїсь суперсили, досить потужної, щоб створити наш Всесвіт і наділити його світлом, енергією, матерією та надати йому структури. У суперсилі матерія, простір-час і взаємодія злиті в нероздільне гармонійне ціле, що породжує таку єдність Всесвіту, якої раніше ніхто й не припускав.

Класична механіка має чотири фундаментальних закони: три закони Ньютона і закон всесвітнього тяжіння. Фундаментальні закони є досить абстрактними формулюваннями і не є наслідком експериментів. Зазвичай вони «вгадуються», а не виводяться з емпіричних. Численні емпіричні закони є наслідками (іноді зовсім не очевидними) фундаментальних. Критерієм їх істинності є відповідність конкретних наслідків експериментальним спостереженням. Усі відомі на сьогодні фундаментальні закони описуються простими математичними виразами. Межі застосування фундаментальних законів обмежені. Ця обмеженість не пов’язана з математичними неточностями, а має більш фундаментальний характер: при виході за межі застосування фундаментального закону починають втрачати сенс самі поняття, що використовуються у формулюваннях. Так, для мікрооб’єктів виявляється неможливим строге визначення понять прискорення й сили, що обмежує застосування законів Ньютона.

Обмеженість застосування фундаментальних законів приводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого змісту при заміні однієї системи фундаментальних законів на іншу. У більшості випадків закони збереження не здатні дати такого повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.

Кожен фізичний закон має свої межі застосування. Закон збереження механічної енергії має такі обмеження. 1) Система розглядуваних тіл має бути ізольована від зовнішніх впливів, таку систему називають замкнутою; 2) не завжди робота однозначно визначається зміною потенціальної енергії тіла під час переміщення його з однієї точки поля в іншу. Однозначне визначення роботи як міри зміни потенціальної енергії має місце лише для певних типів полів, які називають потенціальними. Прикладами таких полів є гравітаційне або електростатичне поле. Потенціальними вважаються поля, робота сил яких не залежить від траєкторії руху тіла в полі. Відповідно, сили цих полів називають консервативними. Якщо робота сил залежить від форми шляху або сили залежать від швидкості руху, то механічна енергія системи не зберігається. Наприклад, сили тертя, які не є консервативними, присутні в усіх випадках. Отже, закон збереження механічної енергії справджується лише для ідеалізованих ситуацій.

Люди завжди прагнули зрозуміти природу спостережуваних об’єктів та явищ, тому будували картину навколишнього світу відповідно до тих знань, якими володіли. Поступово з появою нових фактів і теорій, а також з можливістю перевірити ці теорії завдяки спостереженням та вимірюванням, з використанням досягнень науки, особливо фізики, картина поглядів на світ уточнювалася й змінювалася.

Нерідко стверджується, що наука не дає нам вірогідних знань про світ, що її висновкам начебто не можна довіряти.

У зв’язку із цим ми розглянемо питання, пов’язане з вірогідністю тих наукових даних про Всесвіт, які є одними з найістотніших елементів сучасної наукової картини світу. Ці дані відіграють також першорядну роль і у формуванні світогляду людини, адже світогляд — це і є ставлення людини до світу, усвідомлення свого місця в ньому. На перший погляд, з усієї сукупності знань, що їх має наука, саме знання про космічні об’єкти та космічні процеси є найменш надійними.

Справді, майже всі астрономічні дані здобуто шляхом дослідження різних випромінювань, що надходять до нас з космосу, аналізу й інтерпретації тієї інформації, яку вкладає в них сама природа. Але таке непряме дослідження є досить складним завданням. Між фізичним процесом, що відбувається в космосі, і висновками вчених, які цей процес спостерігають із Землі, пролягає ланцюжок з багатьох ланок. І при переході від кожної з них до наступної можливі ті чи інші помилки, неточності й неправильні умовиводи. А перевірити щось безпосередньо так, як це робиться, скажімо, у фізиці чи хімії, немає можливості. Крім того, астроном спостерігає не саме явище, а лише ту зміну, яку це далеке космічне явище спричиняє у приладі, що реєструє. Скажімо, відхилення стрілки, чи почорніння фотопластинки, чи криву лінію, накреслену на стрічці самописця. І на основі цих змін він має, виходячи з певної моделі, зробити висновки про характер явища, що вивчається. Проте зв’язок між показами астрономічних приладів і природою того чи іншого космічного процесу може виявитися зовсім не однозначним. Такі самі показники можуть бути спричинені зовсім різними явищами, що відбуваються у Всесвіті. Тому під час витлумачення результатів тих чи інших астрономічних спостережень нерідко є можливість різних пояснень тих самих фактів, а отже, і різних висновків про їхню природу.

Отже, висновкам, які ґрунтуються на астрономічних дослідженнях, не можна довіряти? І чи здатні взагалі дистанційні дослідження давати вірогідні відомості про навколишній світ? Щоб отримати відповіді на ці запитання, потрібно мати змогу перевіряти здобуті дані. Завдяки швидкому розвитку ракетно-космічної техніки й успішному освоєнню космічного простору така можливість нарешті з’явилася, а саме народилася «космічна астрономія». За допомогою космічних апаратів вимірювальна й телевізійна апаратура доставляється безпосередньо в райони найближчих небесних тіл та на їхню поверхню. Здобуті в результаті таких досліджень дані дають змогу зіставити знання про планети Сонячної системи, старанно нагромаджені багатьма поколіннями астрономів, з новою «космічною інформацією».

Звичайно, космічні методи дослідження дають можливість отримувати порівняно з наземною астрономією більший обсяг додаткової інформації, особливо про деталі різних явищ у світі планет. Але в цілому, як з’ясувалося, вони не тільки не спростували загальної системи уявлень про Сонячну систему, що склалася на основі астрономічних досліджень, але й, навпаки, підтвердили її правильність. Цей факт свідчить про те, що, незважаючи на дистанційний характер, астрономічні дослідження дають нам вірогідні знання про Всесвіт. Якоїсь принципової відмінності між процесом наукового пізнання космічних об’єктів і процесом пізнання в інших природничих науках, скажімо у фізиці елементарних частинок, не існує. Зрозуміло, що є багато недоступного нашому безпосередньому втручанню, як у будь-якій науці на певному етапі її розвитку є свої «межі безпосередньої доступності». Але і в цих науках, як і в астрономії, подібні межі успішно долаються.

Тільки природничі науки здатні розв’язувати завдання, пов’язані з вивченням тих чи інших конкретних властивостей реального світу, поповнюючи наукові дані реальною інформацією.

В астрономічних дослідженнях широко застосовується «принцип порівняння». Якщо потрібно вивчити закономірності розвитку та будови якогось космічного об’єкта, наприклад Землі, то слід відшукати у Всесвіті подібні об’єкти й намагатися виявити їхні подібність і відмінність щодо об’єкта, який нас цікавить. Подібність указує на спільність факторів, які впливають на еволюцію досліджуваних об’єктів; відмінності допомагають знаходити ті причини, які зумовили різні шляхи їхнього розвитку. При вивченні навіть найбільш абстрактних наукових проблем кінцевою метою досліджень є застосування нових знань на практиці. Така спрямованість обумовлена соціальною природою науки як однієї з форм людської діяльності. Не виняток й астрономія. Вивчаючи космічні явища, астрономи думають у першу чергу про Землю та людство, що дає змогу краще пізнати наш власний космічний дім.

Під науковою картиною світу розуміється цілісна система уявлень про світ, його загальні властивості та закономірності, що виникають у результаті узагальнення і синтезу основних природничо-наукових понять та принципів. Загальна наукова картина світу складається в результаті синтезу знань, одержуваних різними науками, і містить загальні уявлення про світ, що виробляються на різних стадіях історичного розвитку науки. Загальна наукова картина світу включає уявлення про природу та суспільство.

Природничо-науковою картиною світу називають частину загальної наукової картини світу, яка включає в себе уявлення про природу.

Створення єдиної природничо-наукової картини світу передбачає встановлення зв’язків між науками. У структурі конкретних наук у їхніх головних компонентах виражена власна цілісна картина природи, яку називають спеціальною (або локальною) картиною світу. Ці картини є в певній мірі фрагментами навколишнього світу, які вивчаються методами даної науки (наприклад, біологічна картина світу, хімічна картина світу, фізична картина світу). У рамках картин світу здійснюється систематизація знань відповідної науки (або групи наук), вони є наочним втіленням системи взаємодіючих елементів знань — теорій (фундаментальних і прикладних), які становлять собою розвинені системи наукових понять і зв’язків між ними.

У рамки картин світу вписуються відомі наукові факти. Картини світу забезпечують цілісність наукової галузі (науки), формують нам методи наукового пізнання і визначають стратегію наукового пошуку, ставлять завдання емпіричних і теоретичних досліджень, наочно відображають їхні результати.

Отже, розрізняють: загальнонаукову картину світу, яка виступає як форма систематизації знань, що виробляються в природничих і гуманітарних науках; природничо-наукову картину світу (картину природи); соціально-історичну картину світу (картину суспільства); спеціальні (локальні) картини світу окремих наукових галузей (фізичну, хімічну, біологічну, астрономічну, політичну, економічну, демографічну тощо).

Найперші картини світу було розроблено в рамках античної філософії, і вони мали натурфілософський характер. Істинно наукові картини світу виникли у XVI-XII ст. Раніше від інших виникла фізична картина світу як загальна теоретична основа для всіх наук про неживу природу.

Ядром єдиної природничо-наукової картини світу в цілому є фізична картина світу, оскільки фізика є фундаментальним базисом сучасного світорозуміння. Багатовіковий розвиток фізики привів до створення цілісної природничо-наукової картини нашого світу і його розвитку.

Деякі сучасні дослідники беруть за основу таку категорію, як інформація. На їхню думку, ми переживаємо етап становлення нової інформаційної картини світу, яка дасть змогу наочно й цілісно представити загальні зв’язки й взаємозумовленість явищ у процесі історичного розвитку.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Яка роль фізичної та астрономічної науки у формуванні наукового світогляду сучасної людини?
  • 2. Яке значення для людства мають наукові фізичні та астрономічні відкриття?
  • 3. У чому полягає суть «принципу порівняння»?
  • 4. Які ви знаєте фундаментальні взаємодії?
  • 5. Чому вводять поняття «межі застосування» закону або теорії?
  • 6. Наведіть приклади законів, які мають певні межі.
  • 7. Що розуміють під науковою картиною світу?
  • 8. Що є ядром єдиної природничо-наукової картини світу?

З'ясуйте, із чого складається загальна наукова картина світу.