Концепции современного естествознания: Ч. 1. Физические основы материального мира

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС t 

Кафедра филосовско-исторических и социально-правовых наук 

В.В. Горбачев 

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО 
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 

Часть 1 

Физические основы материального мира 

Учебное пособие 

для студентов гуманитарных специальностей 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института в качестве учебного пособия 

МОСКВА 2001 

УДК 5(075,8) 
ББК20 
Г90 

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие: Ч. 1, Физические основы материального мира. М.: МИСиС, 2001, 193с. 

Первая часть учебного пособия по новому общеобразовательному курсу 
«Концепции современного естествознания» дает представление о физических принципах объяснения окружающего нас мира неживой и живой природы с позиции современной, в том числе, постнеклассической физики, 

В ней рассмотрены общие фуцдаментальные вопросы физики относительно 
движения материальных объектов в представлениях классической, квантовой и рештивистской механики, взаимосвязи пространства и времени, модели происхождения, 
эволюции и организации Вселенной, синергетические подходы к объяснению поведения сложных систем в рамках проблемы «порядок- беспорядок». Дано развитие цдей 
описания мира от механистической картины через электромагнитную и полевую к современной естественно-научной картине мира. Изложение материала ведется на гопятном для гуманитариев языке с большим количеством примеров, Пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта и содержит кштрольные вопросы, темы рефератов, вопросы для подготовки к экзаменам и словарь 
терминов, встречающихся в литературе по современному естествознанию. 

Пособие предназначено для студентов вузов и колледжей, преподавателей 
и аспирантов, Может быть полезно и широкому кругу читателей, интересующихся 
проблемами современной естественно-научной картины мира. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС) 2001 

© В,В, Горбачев, 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
4 

1. Общие представления естествознания 
6 

1.1. Этапы развития и становления естествознания 
6 

1.2. Общие проблемы естествознания на пути познания мира 
9 

2. Механика дискретных объектов 
17 

3. Физика полей 
35 

4. Теория относительности Эйнштейна - мост между механикой 

и электромагнетизмом 
44 

4.1. Физические начала специальной теории относительности....44 
4.2. Общая теория относительности 
54 

5. Основы квантовой механики и квантовой электродинамики 
59 

6. Физика Вселенной 
68 

6.1. Модели происхождения Вселенной 
69 

6.2. Современные 
модели 
элементарных 
частиц 
как 

первоосновы строения материи Вселенной 
76 

6.3. Фундаментальные 
взаимодействия 
и 
их 
мировые 

константы 
79 

6.4. Модель единого физического поля и многомерность 

пространства-времени 
83 

6.5. Устойчивость Вселенной и антропный принцип 
86 

6.6. Ньютониановская модель развития Вселенной 
90 

6.7. Антивещество во Вселенной и антигалактики 
91 

6.8. Механизм образования и эволюции звезд 
92 

7. Проблема «порядок - беспорядок» в природе и обществе 
101 

8. Симметрия 
и 
асимметрия 
в 
различных 
физических 

проявлениях 
118 

9. Современная естественно-научная картина мира с точки 

зрения физики 
127 

Темы курсовых работ, рефератов и докладов 
133 

Вопросы к зачету и экзамену 
137 

Литература 
139 

Словарь терминов 
146 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Необходимость включения в систему образования курса «Концепции современного естествознания» связана с проблемами, возникшими перед людьми к 
началу третьего тысячелетия. На многие конкретные вопросы в той или иной облхти знания дают ответ специальные науки, но иногда они не в состоянии ответить на 
более глобальные вопросы: о том, как устроен окружающий нас мир в целом, каким 
фундаментальным законам подчиняется природа, что представляют собой Жизнь, 
Разум, Человек и каково его место во Вселенной... 

Во многом это определяется формированием такого типа мышления и методов познания, которые позволяют выявить фундаментальные закономерности и 
универсальные принципы, управляющие процессами в окружающем мире. Этим 
идеям соответствуют достижения естественных наук, и, в первую очередь, физики. 
Однако сейчас становится все более очевидной необходимость целостного Bocnpiятия и объяснения мира на основе не только естественнонаучного метода познания, 
но и гуманитарного подхода. 

Поэтому с точки зрения гуманитарного образования как компонента общечеловеческой культуры важно включить в него понятия, представления и методолэгию естественных наук, показать, зачем нужна гуманитариям физика, утвердить в 
общественном сознании необходимость естественного образования, включив его в 
систему современной культуры. 

Этим задачам отвечает интегрирующий курс «Концепции современного 
естествознания», который должен представлять собой «синтез мудрости древних 
цивилизаций, естественных и гуманитарных наук, путь к пониманию природы, ^ловека и общества». Соответственно своему содержанию такой курс охватывает широкий, почти необъятный круг вопросов и является основополагающим, фундамштальным для всего современного образования. 

Поэтому трудности создания и освоения курса очевидны, но он представляет несомненный интерес для любознательных. Более того, он как нельзя лучше 
отвечает традициям отечественного образования с его школой фундаментальности и 
широты подхода к объяснению сути вещей. С другой стороны, вполне естественно, 
что нельзя объять необъятное и достаточно полно и в равной степени осветить все 
научные подходы и концепции. Несмотря на определенный отбор материала и попытку построения парадигмы в современной естественно-научной картины Мира, 
многие интересные вопросы предлагаемом учебном пособии не нашли своего разштия. В известной мере это было сделано и сознательно - на взгляд автора, вопросов в 
таком курсе должно быть больше, чем ответов. 

Одной из основных целей пособия являлось желание вовлечь читателя в 
творческий процесс самопознания, показать, что без привлечения науки невозможно 
понять свое предназначение на Земле, показать, что имеется еще много непознанных 
и пока еще неподвластных науке явлений. В этом смысле должен проявиться нестандартный творческий подход студента к изучению курса и формированию его 
взглядов на мир. Этим объясняется большое количество ссылок на литературу, 
предложенных тем, рефератов и контрольных вопросов. Этой же цели служит и составленный автором словарь терминов, используемых в тематике современного естествознания, насчитывающий около 750 понятий. Функциональное предназначение 

4 

словаря - объяснить студенту термины, встречающиеся в различных пособиях и т учных монографиях но современному естествознанию, шире, чем обычный словарь, 
раскрыть излагаемые в настоящем пособии вопросы, и поэтому является необходамым дополнением к нему. Задачей же автора являлось построение некоторого вектора развития современного естествознания. Отбор и расположение материала определялись вкусовыми ощущениями автора и его видением проблем. 

Курс «Концепции современного естествознания» соответствует Государсгвенному образовательному стандарту и рабочей программе для гуманитарных сшциальностей и предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей этих сшциальностей, а также читателей, интересующихся проблемами современного естествознания. Методологической целью курса является получение студентами предстшления о целостной картине Мира в рамках естественнонаучной и гуманитарной шрадигм, о роли человека в объединении трех взаимосвязанных подсистем его обитания - естественной природной, искусственной (техносфере) и социальной сред. 

Курс состоит из трех частей. В первой дается представление о физических 
принципах объяснения природы с позиции современной, в том числе, постнекласшческой физики. Согласно терминологии И.Пригожина- это физика необходимого 
или существующего. Во второй части рассматриваются физические аспекты и принципы биологии, воспроизводство и развитие живых систем, физические факторы 
влияния Космоса на земные процессы, роль внутренних и внешних физических шлей в эволюции живых организмов. Эти проблемы уже относятся к физике возникающего и связаны с проблемами физики живого. В третьей части пособия будут 
рассмотрены возможности использования физических моделей в рамках целостной 
парадигмы современного естествознания в экономике, социологии, истории, этногенезе и других науках гуманитарного характера. 

В настоящем учебном пособии представлены вопросы первой части. Рхсмотрены общие фундаментальные принципы физики относительно движения материальных тел в рамках классической, квантовой и релятивистской механик и, взаимосвязь пространства и времени, основы теории относительности, физика Вселенной и современные представления о строении вещества, методы дискретного и вероятностного описания природы, синергетические подходы к объяснению поведения 
сложных систем в рамках проблемы «порядок- беспорядок» и роль симметрии и 
асимметрии в различных физических проявлениях. Дана эволюция описания Мира 
от механистической его картины через электромагнитную и полевую к современной 
естественнонаучной. Приведены примеры применения физических представлений в 
гуманитарном восприятии. 

В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и даны ссылки на 
необходимую литературу. 

Автор признателен своим рецензентам: члену-корреспонденту РАН, академику РАЕН, профессору, доктору физико-матеметических наук Л.А.Грибову, академику РАЕН, профессору, доктору физико-математических наук А.Н. Георгобиани 
(МФТИ) и академику МАИ, профессору, доктору физико-математических наук 
К.Н. Быстрову. 

5 

1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 

1.1. Этапы развития и становления естествознания 

Если вы хотите узнать природу 
Обучение редко при
и оценить ее красоту, то нужно 
носит плоды кому-либо, кроме тех, 

понять ее язык, па котором 
кто к этому предрас
опа разговаривает. Она дает 
положен, но оно им почти 

информацию лишь в одной 
ненужно. 

форме и мы не вправе требовать от нее, чтобы она изменила 
свой язык, чтобы привлечь паше 
впимапие. 

Р. Фейнман 

Высказывание Гиббонса, 
приведенное Фейнманом 
в своих лекциях по физике 

Наука о природе зародилась в Древней Греции более 2500 лет тому назад в 
виде единой натуральной философии. Естественной базой ее возникновения и ршвития явились бесхитростные наблюдения пытливых людей окружающего их мира. 
Из этих наблюдений делались какие-то заключения и обобщения и, как мы сейчас 
говорим, строились теории. Поскольку в начальный период становления этой еданой науки не было измерений, а были лишь наблюдения и рассуждения, то первые 
исследователи, являясь наблюдателями, облекали свои выводы в некие философские 
категории. 

Все естественнонаучные знания и представления о Природе в то время не 
разделялись на отдельные области знания и поэтому составляли единую науку, основой которой были логические рассуждения и умозаключения относительно того, 
что наблюдалось. Отсюда, собственно, и произошло название натурфилософия, то 
есть мудрые рассуждения о Природе (натура- природа, философия - любовь к мудрости). Интересно, что в шотландских университетах до сих пор физику называют 
натуральной философией. Понятно, что эти теоретические представления были т ивными и часто ошибочными. Тем не менее, наряду с накоплением знаний осуществлялся их анализ и в виде пророческих догадок формировались многие идеи, которые находят сейчас свое подтверждение в современной естественно-научной картине мира. 

В античном естествознании укрепилось представление о материальной 
первооснове всех вещей и вечного движения. В качестве этой первоосновы мира и 
всего сущего предлагались: огонь, вода, воздух и некое начало «айнерон». Так, Гераклит Эффеский (V век до п. э.), считавший началом всего, что есть на свете, огонь, 
сформулировал идею о единстве мира и его изменчивости. («Все течет, все меняется, ничто не вечно, кроме перемен».) Идея о непрерывности движений («мир един, 
был, есть и будет вечно новым») в целом хорошо согласуется с современными представлениями о движущейся материи. 

Исторически в развитии древнегреческого естествознания можно выделить 
три научных программы: одна идеалистическая- Платона и две материалистических - Аристотеля и Демокрита. Первую научную программу можно также назвать и 

6 

математической, и в смысле понимания роли количественных вычислений в научном изучении мира она во многом определила путь развития естествознания. В ее 
основе лежит идея Пифагора, что «числа- суть вещей». Платон, в свою очередь, угверждал, что «Бог - это геометр». Несмотря на то, что Платон признавал материальный мир, состоящим из четырех субстанций: огня, воздуха, воды, и земли, он npiписывал частицам, из которых они состоят, различную геометрическую форму в виде многограников: для огня- тетраэдры, воздуха- октаэдры, воды- икосаэдры, 
земли - кубы, то есть вводил абстрактные топологические понятия. 

Это было связано с идеалистическими представлениями Платона о том, что 
материальный мир бытия является лишь отражением мира идей человека, его представлением, а не реально существующей материей. Поэтому математическим построениям и численным абстракциям программы Пифагора- Платона отводилась 
почти мистическая роль, проявляющаяся до настоящего времени в религиозных т нонах, астрологии и магии, а в науке- в некоторых «таинственных» математических 
числах: 3,1415926; 1/137; 1,618034 и т.д., смысл которых: почему они именно такие - так до сих пор и не ясен. Любопытно, что в этой программе была выдвинута 
также идея о вращении всех небесных тел, включая Солнце, по сферам вокруг цштрального огня. Она возникла из наблюдений звездного неба и периодических смен 
дня, ночи, зимы, лета и отражала существовавшие тогда представления о мире. Заметим, что в III веке до п. э. Аристарх Самосский предложил идею о гелиоцентрическом строении Вселенной и движении всех небесных тел вокруг Солнца. Как известно, эта идея была возрождена Р. Коперником в средние века. 

Общей чертой континуальной программы Аристотеля и атомистическойДемокрита является их материалистичность. Континуальный подход предполагал 
весь материальный мир, состоящим из непрерывной материальной субстанции, т ходящейся в постоянном движении. Все объекты природы («существующие вещи») 
не возникают и не уничтожаются, а существуют вечно и проявляются в различных 
формах этой субстанции, преобразуясь из одной формы в другую. Эта физическая 
по своей сути программа Анаксагора-Аристотеля также созвучна современным 
представлениям о формах существования и движения материи еще и потому, что 
предполагала наличие в каждом объекте всех «вещей» («все во всем» или «во всем 
есть часть всего»), что можно перевести на наш научный язык, как строение вещества из элементарных частиц. 

Аристотель предполагал, что мир представляет собой вращающийся Космос и его движение началось в каком-то малом объеме пространства от первотчального толчка, а это хорошо согласуется с одной из современных теорий прои=хождения Вселенной- Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной. Сам Космос 
является некой ограниченной сферой, в центре которой расположена Земля, пространство и время реализуются только в пределах этого Космоса, причем пространство заполнено «первичной материей». Первичная материя под воздействием ксмбинации «первичных сил»- горячего, холодного, сухого и мокрого переходит в одну из четырех «стихий»: огонь, воздух, воду и землю. Стихии, в свою очередь, могут 
переходить как из одной в другую, так и вступать в различные соединения и образовывать «вещества»: камни, металлы, мясо, кровь, глину, шерсть и т.д. И как логичный результат: из веществ создаются тела. 

Аристотель ввел также понятие естественных и насильственных движений 
тел. Для земных тел естественным является перемещение тел или вниз («тяжелые» 
тела), или вверх («легкие» тела), причем считалось, что причина естественных дшжений заложена в их природе. Для небесных тел естественным предполагалось их 

7 

круговое движение вокруг Земли как центра Космоса. Насильственное движение 
объяснялось действием сил на тела, и оно прекращалось, если сила переставала дшствовать. Такая механика естественных и насильственных сил и вызванных ими 
движений вытекала из повседневной практики и наблюдений за движением тел в реальной жизни и была принята в науке до XVIII века. К этому времени представление 
о силе как причине движения стало краеугольным камнем классической механики 
Галилея- Ньютона. Заметим, что именно Аристотель первым ввел название физика 
для обозначения учения о природе. Поэтому с формальной точки зрения Аристотель - первый физик. Хотя к первым физикам можно отнести и Анаксагора с его 
идеей движущейся материи, и Пифагора, поскольку он первым изучал и описал гоявление разных звуков в зависимости от длины струны. 

Атомистическая программа Демокрита была основана на идее существования мельчайших, более неделимых частиц- атомов, которые и составляют весь материальный мир. Атомы двигаются в пустоте и разнообразны по форме, при стожновениях они сцепляются и образуют различные тела. Причем эта различность тел 
объяснялась различностью атомов. Нетрудно и здесь увидеть наивный, но в целом 
правильный с точки зрения современной науки взгляд на мир. Любопытно отметить, 
что в этом атомистическом мире находилось место и Богам. Они тоже были из атомов, но недоступных органам человека. Естественно, Богам приписывался высший 
разум, который и управляет всем миром. Интересно также, что этой атомистической 
программе был присущ жесткий детерминизм, сохраненный впоследствии в механике Галилея- Ньютона, то есть любое движение материи предполагалось необходамым, обусловленным какими-то причинами. Случайность полностью исключалась 
из картины Мира. Она считалась субъективной и объяснялась недостаточностью ^ловеческих знаний. 

В то же время последователь Демокрита Эпикур (III век до п. э.) высказывал предположение о существовании объективной случайности. Атомистическая 
теория, как более ранняя, была вытеснена континуальной. Ее реабилитация началась 
лишь в XVII веке. Отметим также, что еще в 1веке до п. э. Лукреций Кар в своей 
книге «О природе вещей», посвященной Эпикуру, в поэтической форме изложил 
много идей материалистичности мира, связи пространства, времени и материи, ди=кретности материи и относительности движения. Можно отметить, что в книге Лукреция Кара кроме естественно-научных вопросов рассматривались и общегуманитарные проблемы жизни, смерти, духовности, этики и морали. Главным в этой гопытке понять окружающий мир была целостность восприятия, представление, что 
мир един, и описание его строения основывалось именно на таком, холистическом, 
как сейчас говорят, подходе. 

Дальнейшее развитие миропонимания при переходе к количественному 
описанию процессов движения материи шло через механистические представления о 
природе. Это было связано с именем Г. Галилея, который объединил физику и математику, ввел основные характеристики движения- понятия инерции, системы огсчета, ускорения как причины движения, принцип относительности и ряд других 
понятий о движении тел. 

8 

1.2. Общие проблемы естествознания на пути 
познания мира 

Не то, что мните Вы, природа: 
Не слепок, не бездушный ликВ ней есть душа, в ней есть свобода, 
В ней есть любовь, в ней есть язык... 

Ф. Тютчев 

В основе объяснения явлений природы с точки зрения физики и различных 
применений физики в технике лежат некоторые фундаментальные понятия или фундаментальные физические принципы. К ним, в первую очередь, относится строение 
материи, т. е. из чего построен окружающий нас мир, в том числе, и мы сами. Это 
теория элементарных частиц в ее современном представлении и движение материи в 
широком смысле этого слова, а также взаимодействие частиц и полей друг с другом. 
К другим фундаментальным принципам относятся такие понятия, как пространство 
и время, законы сохранения, симметрия- асимметрия, порядок- беспорядок, дискретность - непрерывность, вероятностный, т. е. статистический подход к описанию 
явлений. К сожалению, классическая физика, давшая почти универсальный рецепт 
описания и понимания простого движения и фантастически правильное объяснение 
действия и построения технических механизмов и машин в нашей реальной практике на основе представлений Галилея- Ньютона, касалась именно механического 
движения, а не изменений вообще, например, в живом организме. 

Сформировалось представление и надолго (почти 200 лет), что классическая механика как часть физики может объяснить все возможные явления в природе. 
Такой взгляд привел к возникновению в целом в XVIII веке рационализма, рационального научного подхода, логично и правильно, как казалось, описывающего окружающий мир. Такое положение возвеличивало физику как науку и позволило английскому физику сэру Э. Резерфорду впоследствии в шутку сказать: «Все науки делятся на две группы: физика и коллекционирование марок». 

Это так называемый «физикализм» - возникшая в то время общенаучная 
парадигма, объясняющая любые процессы в живой и неживой природе, социуме, 
обществе в целом, по аналогии и в соответствии с физическими принципами, разработанными в классической механике. В качестве известного примера можно привести 
французского 
дипломата Талейрана, 
который 
возил 
с собой 
механику 
д'Аламбера, считая, что на ее основе он сможет логично и неоспоримо убедить в 
правоте своих дипломатических коллег. Другой пример, ставший классическим: югда Наполеон ознакомился с космологической теорией маркиза де Лапласа, классика 
той механики, то заметил автору, что в этой механике нет места Богу. На что Лаплас 
ответил: «Sire, je n'avais pas besoin de cette hypothese» («Мой император, этой гипотезы мне не понадобилось»). 

Но существу, это была попытка свести существовавшее естествознание к 
сумме известных тогда физических законов. Философской основой такого подхода, 
ведущего к строгому детерминизму причинно-следственных связей, в том числе и в 
количественных значениях, было фундаментальное разграничение между миром и 
человеком, введенное Р.Декартом. Как следствие этого разграничения, возникла 
уверенность в возможности объективного описания мира, лишенного упоминаний о 
личности наблюдателя, и наука видела в таком объективном описании мира свой 

9 

идеал и предназначение. Конечно, сейчас мы понимаем, что это неверно: класси>вская механика работает лишь в определенных пределах, при скоростях распространения взаимодействия, меньших скорости света. 

Заметим, что некорректен также и другой, гуманитарный подход к объяснению мира на основе антропоцентризма, согласно которому предметы неживой 
природы, а также растения, животные и даже Боги в древности уподоблялись человеку. Впоследствии оказалось, что этот в известной мере наивный подход более бшзок и понятен человеку и в современном естествознании уже на научной основе он 
был возрожден в виде антропного принципа. Вообще говоря, это свидетельствует о 
возникших с давних времен в связи с дифференциацией наших знаний о мире двух 
культур, двух способов познания- естественно-научного, в основе которого лежит 
физика, и гуманитарного, определяющим для которого является интуиция, художственные образы, иррациональное мышление. Отсюда и два метода исследования и 
объяснения нашего мира: логический и внелогический. На самом деле непонятно, 
почему так сложилось в человеческом восприятии мира, но исторически идет от начального целостного взгляда античной натуральной философии, матери всех наук. 
Эта специализация, дифференциация и углубление отдельных наук, столь необходимые на определенном этапе ее развития, становится тормозом на пути познания 
мира. Возникает необходимость междисциплинарной науки, интегрирования различных знаний. Человек начинает понимать, что природа едина, целостна и это 
должно найти свое отражение и в методах ее познания. Эту мысль хорошо отразил 
М. Планк: «Наука представляет собой внутренне единое целое. Ее разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченной 
способностью человеческого познания. В действительности существует непрерьшная цепь от физики и химии через биологию и антропологию к социальным наукам, 
цепь, которая ни в одном месте не может быть разорвана, разве лишь по произволу». 

Сейчас становится особенно понятным необходимость преодолеть этот 
разрыв между естественно-научными и гуманитарными подходами различных наук 
и, более того, объединить их на основе холистического, целостного восприятия мира 
в концепции современного естествознания. Интересно, что эти две культуры, культуры естествознания с доминантой научного метода и культуры гуманитарной (искусство) не смогла объединить и философия, она не смогла стать мостом между ними. К тому же хорошо известно, что в России имеется настороженное отношение к 
официальной философии: воинствующий материализм в равной степени подавлял 
как науку, так и искусство. В целом и раньше наука страдала от церковного догматизма (Дж. Бруно) и различных спекуляций, а затем от утилитарно-рассудочного 
техницизма и позитивизма нашего времени. Причем после Хиросимы и Чернобыля в 
среде гуманитариев возник устойчивый антинаучный синдром. Заметим также, что 
естественно-научному подходу было присуще логическое (линейное) мышление, а 
гуманитарному, интуитивному-нелинейное мышление. 

Многие проблемы человечества могли бы быть решены на основе гармонизации частей изначально единой культуры и целостного восприятия мира, как, т пример, это было в античной культуре Греции и Рима или было присуще еще Apiстотелю и натурфилософии, но уже на новом уровне развития. Сегодня становится 
очевидным необходимость привнесения в науку, в том числе и в физику, нравствшпых, этических и даже эстетических начал. «Наука без совести разрушает душу»,как сказал Ф. Рабле. Физики шутят: чем более красива и стройна теория или отдельная формула, тем она вернее. Правда, бытует и другое шутливое выражение: чем 
больше различие между экспериментом и теорией, тем ближе автор исследования к 

10