новой теории должно предшествовать создание новой картины мира или хотя бы первых основных ее понятий, опирающихся на философские идеи.
При этом важно отметить, что резкое разграничение роли эксперимента и теории не соответствует истинному ходу развития физики, где наблюдается "картина взаимного переплетения эмпирии и теории" [6]. Стимулом для возникновения теории Максвелла были отнюдь не новые экспериментальные факты [7]. Здесь происходило то, что называют "самодвижением" теории. Кроме того, из теории Максвелла, в порядке дедукции, вытекали с необходимостью предсказания, новых экспериментальных фактов, которые впоследствии блестяще подтвердились.
После своего возникновения теория Максвелла способствовала признанию и дальнейшему расширению электродинамической картины мира. В особенности важным в этом плане было создание теории света как раздела электродинамики. Работы Г. Герца убедительно доказывали необходимость замены механических представлений о природе электродинамическими.
Однако построение электродинамический картины мира на этом не завершилось. Во-первых, надо было выяснить вопрос о соотношении новой картины мира с механическими теориями (механика, термодинамика и статистическая физика) и попытаться построить соответствующие теории строения вещества и излучения. Во-вторых, из самой электродинамической картины мира надо было устранить устаревшие механические представления, не согласующиеся с ее основными положениями.
Первая из этих задач была поставлена в электронной теории Лоренца, а разрешение второй привело к теории относительности Эйнштейна.
Электронная теория возникла в результате объединения идей механики, кинетической теории материи и максвелловской теории поля. Однако, несмотря на свое блестящее эмпирическое и теоретико-математическое обоснование, теория Лоренца страдала одним существенным недостатком: ее основание не опиралось на какие-либо принципиально новые философские идеи о материи и движении, пространстве и времени, взаимосвязи и взаимодействии. Приверженность Г. А. Лоренца к метафизико-материалистическим представлениям о природе явилась причиной его оппозиции по отношению к теории относительности. Это тем более поразительно, что именно Лоренц получил ряд важнейших математических соотношений, лежащих в основе этой теории. Но, находясь на старых позициях метафизического материализма, он не придал своим преобразованиям должного значения, не осознал их подлинного физического смысла. В течение более чем двадцати лет он пытался истолковать
формулы перехода от одной инерциальной системы к другой в духе классической физики и не смог справиться с возникшими трудностями.
Анализ трудностей в построении электродинамики движущихся" сред наглядно показывает, что для появления теории относительности необходимо было расширение физической картины мира.
Если при построении электродинамики Максвелла и электронной теории Лоренца исходные положения
этих теорий еще можно было привести в какое-то, хотя бы внешнее соответствие со старыми основами, то при построении теории относительности это оказалось невозможным.
Вуказанном отношении теория относительности занимает среди физических теорий особое место. Она явилась первой теорией, указавшей на принципиальную ограниченность классических представлений о пространстве и времени и на возможность построения физической теории на иной, более широкой основе. Заслуга А. Эйнштейна как раз и состоит в том, что он решительно порвал со старыми представлениями о пространстве, времени, движении и ввел в электродинамическую картину мира новые, ей соответствующие представления. Таким образом, расширение электродинамической картины мира было всеми воспринято как крушение механицизма.
Критическое отношение Эйнштейна к метафизическим основам механической картины мира является одной из важнейших философских предпосылок создания теории относительности. Эйнштейн хорошо понимал, что Фарадей и Максвелл заложили "новую надежную основу для всей физики" и что "революцию, начатую введением поля, никак нельзя считать оконченной" [8]. Революция заключалась не только в том, чтобы заменить механическую картину мира электродинамической, но и в том, чтобы доработать электродинамическую картину мира.
Воснове такой доработки, как уже указывалось, лежали новые философские взгляды на природу. В расширенной электродинамической картине мира поле стало рассматриваться, как вид материи.
Элементы расширенной электродинамической картины мира вошли в основание теории относительности, явившись вместе с тем ее теоретическими предпосылками. Специальная теория относительности оказала, в свою очередь, влияние на электродинамическую картину мира, вскрыв ее подлинную релятивистскую сущность, которая в теории Максвелла оставалась невыясненной.
Однако уже в начале XX века возникло несоответствие между электродинамической картиной мира и новыми открытиями физики. Это несоответствие положило начало третьей в истории физики картины мира - квантово-полевой, на основе которой возникли две принципиально новые теории:
теория излучения Планка-Эйнштейна и теория атома Резерфорда-Бора. Согласно квантовой картине мира, сложившейся в 20-30-е годы XX века, мир рассматривается как единая всеобъемлющая квантовая система, некоторые элементы которой могут обладать релятивистскими свойствами.
Квантово-полевая картина мира способствовала бурному развитию в первой половине XX века теоретической физики, в частности, разработке различных приложений квантовой теории излучения, построению квантовой электродинамики и.т. д. Подробнее особенности квантово-полевой картины
мира рассмотрены в методических указаниях по методологическим и мировоззренческим вопросам в курсе основ атомной физики, элементов квантовых статистик, физики твердого тела, атомного ядра и элементарных частиц.
Переход от одной физической картины мира к другой связан обычно с периодом кризиса в физике, при котором существует противоречие между достижениями физики и способом мышления, обусловленным устаревшей картиной мира. Здесь проявляется общее диалектическое положение о роли формы и содержания в процессе развития. "С одной стороны, постепенное накопление новых эмпирических фактов (т. е. накопление нового содержания) приводит к формированию новых теорий (возникновение новой формы); с другой стороны, выдвижение новых понятий, гипотез и принципов, необходимых для построения новых теорий (изменение содержания) в конце концов приводит к противоречию между этим новым содержанием и старой формой - картиной мира. Между старой формой и новым содержанием назревает конфликт, приводящий к революционному изменению физического знания: старая форма - старая картина мира, тормозящая развитие науки, - отбрасывается, новая форма - новая картина мира - возникает, т. е. происходит смена физических картин мира, переход от одного этапа физического познания к другому". [9].
Идеалисты смену одних представлений, гипотез и теорий - другими, новыми, нередко склонны считать доказательством произвольности, субъективности вообще всяких гипотез и теорий и на основании этого утверждать, что отсутствует объективная истина. Однако исторически условны пределы приближения наших знаний к объективной, абсолютной истине. Но безусловно существование этой истины, безусловно то, что мы приближаемся к ней.
2.Электростатика
Сэлектростатики начинается изложение электродинамики, т. е. того раздела общего курса физики, в котором впервые, более или менее серьезно, с соответствующим математическим аппаратом
используется понятие поля со всеми вытекающими отсюда методологическими и мировоззренческими проблемами. При этом первое знакомство с полем начинается с поля электростатического. Однако, еще до введения понятия электростатического поля, говоря о законе Кулона, разумно обратить внимание студентов на некоторые обстоятельства.
Закон Кулона, как и всякий фундаментальный экспериментальный закон глубже того, что дает непосредственно опыт. Действительно, закон Кулона говорит о взаимодействии "точечных" зарядов, находящихся в вакууме. Но любой реальный эксперимент проводится с конкретными заряженными телами, которые при любых малых размерах обладают определенной формой и определенным образом ориентированы друг относительно друга. Эти тела находятся не в вакууме, а в конкретной среде, например, в воздухе. Таким образом, закон Кулона в его обычной формулировке представляет собой экстраполяцию опыта или серии конкретных опытов на более общие, более "чистые" условия.
Такая идеализация опыта и обобщение его результатов - обязательная ступень в процессе познания. Именно таким путем исследователь выделяет в окружающих его предметах и явлениях общее, закономерное, отвлекаясь от единичного, случайного. И именно к таким упрощенным и схематизированным объектам возможно применение математического аппарата, возможно решение одной из главных задач естествознания - отыскание, определение одних характеристик изучаемого объекта на основании измерения других.
Правильность такого обобщения проверяется, конечно, практикой, опытом. Но не просто повторением опыта, позволяющего измерить силу взаимодействия двух заряженных тел, а опытной проверкой тех теоретических выводов, основанием для которых является рассматриваемый закон, в данном случае закон Кулона.
К таким теоретическим выводам следует, например, отнести теорему Остроградского-Гаусса. Именно связь теоремы Остроградского - Гаусса с геометрическими свойствами пространства (пропорциональность площади сферы квадрату ее радиуса) и законом Кулона, согласно которому сила
электростатического взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, приводит к тому, что поток напряженности электростатического поля
точечного заряда через любую охватывающую его поверхность не зависит от формы и размеров последней.
Теорема Остроградского - Гаусса приводит также к выводу, что внутри проводника, в условиях "чистой" электростатики, не будет зарядов - все заряды обязательно распределяются на внешней поверхности проводника.
Опытное подтверждение этого факта принадлежит к числу достаточно наглядных и широко распространенных лекционных демонстраций. Показывая эту демонстрацию при изучении свойств проводников, интересно, по-видимому, провести данную цепь рассуждений, акцентируя внимание студентов на том, что именно проверяет и подтверждает данный опыт.
Рассматривая закон сохранения электрического заряда, необходимо еще раз (впервые это делается в механике) подчеркнуть основополагающее значение законов сохранения в физике, так как эти законы выражают самые коренные физические свойства окружающего нас мира. Законы
сохранения являются конкретным проявлением объективно существующего всеобщего закона сохранения материи и движения. Они убедительно свидетельствуют о материальности мира, о вечности его существования в пространстве и времени и о неразрывном единстве материи и движения, являющегося неотъемлемым свойством (атрибутом) материи. Законы сохранения противоречат представлениям идеалистической философии о "первотолчке" и "сотворении мира".
Как и другие законы сохранения, закон сохранения электрического заряда служит инструментом нашего познания. Он позволяет анализировать и обобщать новые экспериментальные данные, а также теоретически исследовать возможность протекания тех или иных физических процессов. Следует также подчеркнуть сохранение и инвариантность электрического заряда в теории относительности.
В связи с вопросом об атомности электрического заряда следует упомянуть об опытах академика А. Ф. Иоффе (1912) и американского физика Г. Милликена (1909-1914).
Начиная разговор об электростатическом поле, следует повторить определение поля ("физического поля"), как формы материи, осуществляющей силовое взаимодействие между частицами.
Электростатическое поле - материальный носитель электростатического (кулоновского) взаимодействия, т. е. взаимодействия между электрически заряженными неподвижными частицами и телами. Далее стоит остановиться на историческом развитии самого понятия поля. Существенно, что теория дальнодействия не отвергала понятия поля, но для нее поле служило как бы сокращенным обозначением пустого пространства, в котором могут проявляться дальнодействующие силы. Носителем же атрибутов физической реальности (массы, энергии, импульса, силы и т. п.) в этой концепции были тела. При отсутствии хотя бы одного из взаимодействующих тел отсутствовали и силы, и энергия, т. е. физическое поле не имело самостоятельного существования.
В теории близкодействия так, как она сложилась первоначально, взаимодействие осуществлялось посредством изменения состояния промежуточной среды - мирового эфира. При этом все атрибуты физической реальности приписывались уже не только взаимодействующим телам, но и эфиру, а все электромагнитные явления сводились к механическим перемещениям и упругим натяжениям эфира.