Что означает континуальность и дискретность в описании природы

КОНТИНУАЛЬНОСТЬ и ДИСКРЕТНОСТЬ

Смотреть что такое «КОНТИНУАЛЬНОСТЬ и ДИСКРЕТНОСТЬ» в других словарях:

Маркова, Людмила Артемьевна — (12.12.1932) спец. в обл. филос., методол. и истории науки; д р филос. наук. Род. в Ленинграде. Окончила филос. ф т ЛГУ (1955). С 1964 по 1987 работала в ИИЕТ АН СССР. С 1987 в ИФ АН СССР (РАН), вед. н. с. Докт. дисс. «Методологические… … Большая биографическая энциклопедия

И ЦЗИН — («Книга перемен», также «Чжоу и» «Чжоус кие перемены» по названию династии Чжоу (11 3 вв. до н.э.) или «Кругоспиральные перемены» по нарицательному значению иероглифа «чжоу») одна из систем формирования др. кит. культуры дао, связанная по… … Философская энциклопедия

География — У этого термина существуют и другие значения, см. География (значения). География: (др. греч. γεωγραφία, землеописание, от γῆ Земля и γράφω пишу, описываю) единый комплекс наук, изучающих географическую оболочку Земли и акц … Википедия

Классическая физика — часть физики, объединяющая изучение объектов, явлений и процессов на основании следующих представлений: 1. Объекты делятся на два вида вещество (тела) и (силовое) поле. Основной признак вещества корпускулярность (дискретность), поля… … Начала современного естествознания

Интеракция — (англ. interaction, лат. inter между и actio деятельность) определяется как взаимодействие, взаимное влияние людей или групп друг на друга. В зап. социальной психологии, базирующейся на концепции американского психолога Дж. Мида, под И.… … Психология общения. Энциклопедический словарь

Невербальное общение : направления исследований — Несмотря на огромный интерес к психологии невербального общения (Н. о.) специалистов из разл. областей, большое количество исследований разл. ориентаций и появление специальных журналов (напр., Journal of nonverbal behavior), в настоящее время в… … Психология общения. Энциклопедический словарь

Континуум — непрерывность, неразрывность, нерасчлененность явлений, процессов, функций. Континуальность означает процессы, непрерывно протекающие в условиях пространства и времени. Дискретность означает акт прерывания течения процессов, в ходе которых они… … Словарь-справочник по философии для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов

КООПЕРАЦИЯ — сотрудничество, взаимосвязь людей в процессах их деятельности. К. это своеобразное сложение или умножение человеческих сил, дающее мощный добавочный эффект. Добавка образуется из того, что люди могут связывать свою деятельность не только в… … Современный философский словарь

ПРЕРЫВНОЕ и НЕПРЕРЫВНОЕ — категории, обозначающие специфическую меру структурного и (или) процессуального единства между внешне или внутренне связанными вещами, явлениями, состояниями. Пример предельно мыслимой степени прерывности это абсолютная изолированность, а… … Современный философский словарь

Источник

Непрерывность и прерывность в географической оболочке

Спор о непрерывности (континуальности) или прерывности (дискретности) географической оболочки, географического пространства имеет множество ликов.

То он возникает в форме спора о реальности границ, их резкости или расплывчатости, то в форме дискуссии о принципиальной возможности отражения реальности с помощью либо лишь карт изолиний, либо лишь схем районирования.

Проявления этих свойств, как отмечали философы В. М. Готт и А. Ф. Перетурин, можно представить, сопоставляя следующие колонки противоположных свойств:

Даже сопоставляя довольно ограниченные знания, получаемые в школе, из этой схемы можно видеть, что в географической оболочке встречаются и изолированность (острова, озера), и скачкообразность (контраст океаны — суша), и локальность (промышленные узлы), и нелокальность (сельские населенные пункты), взаимосвязанность (береговые зоны).

Вопрос о прерывности и непрерывности непрост. Можно согласиться с философами, отмечавшими, что категории дискретности и континуальности отражают некоторые всеобщие свойства материи. Именно поэтому вопрос о прерывности и непрерывности стоит не только перед географией, но и перед многими другими науками. В ряде наук, начиная с физики и кончая биологией, этот вопрос уже породил длительные и достаточно сложные споры. В острой форме в физической географии спор между сторонниками представлений о преобладании в географической оболочке непрерывности или прерывности до сих пор не состоялся. Но в отдельных работах достаточно отчетливо звучат определенные точки зрения. Так, анализируя работы известного советского географа Д. Л. Арманда о принципах районирования, легко увидеть в них ясную позицию признания за географической оболочкой лишь свойств непрерывности. В его трудах географическая оболочка выступает в качестве единого объекта, который мы можем разделить любым способом, произвольно или в соответствии с поставленной практической целью, или в соответствии с соглашениями между учеными. С другой стороны, в работах Н. А. Солнцева и его учеников природные комплексы низших рангов выглядят отдельными дискретными кирпичиками, из которых и строится вся географическая оболочка.

В книге «Ландшафтные исследования» (1966) я уже высказывал точку зрения о том, что географической оболочке свойственны оба эти качества: прерывность и непрерывность. Непрерывность проявляется в сплошности пространственного распространения оболочки, а прерывность находит свое выражение в существовании внутри нее территориальных природных и социальных комплексов, обладающих свойством относительной целостности.

Как это можно доказать? Поясню эту мысль с помощью графика, составленного мною вместе с Д. Л. и А. Д. Армандами.

Распространение воздействия от точки О при разном пространстве: А — дискретное пространство; Б — непрерывное пространство; В, Г — пространства,
сочетающие свойства прерывности и непрерывности

На рисунке показано несколько графиков, характеризующих изменение какого-то свойства (Ф) по мере удаления от места приложения некоторой воздействующей на него силы.

Если бы географическая оболочка обладала только свойством дискретности, то свойство изменялось бы в соответствии с графиком А: на каждой из границ происходил бы резкий скачок, и график в целом имел бы ступенчатую форму.

Если бы географическая оболочка обладала лишь свойством континуальности, то мы везде бы наблюдали только плавные перегибы (график Б). На самом же деле мы встречаемся с сочетанием этих комбинаций. Например, когда одна из границ выражена резко, а вторая смята (В). Иногда встречаемся и с комбинацией другого типа, когда все грани несколько смягчены (Г). Если говорить на языке картографа-съемщика, то это означает, что мы встречаемся, с одной стороны, с линейными границами, когда свойство дискретности выступает особенно резко, и с другой — с границами расплывчатыми, с переходными зонами, отражающими непрерывность среды. Это свидетельствует о том, что оба свойства представлены в географической оболочке.

Снятие спора о дискретности или континуальности географической оболочки снимает вопрос «или — или?». По конечно, утверждение «и да, и нет» еще не говорит нам ничего о соотношении этих двух явлений. Поскольку этот вопрос поставлен географами в чистом виде сравнительно недавно, даже ранее накопленный материал проанализирован с этих позиций еще недостаточно.

Вместе с тем даже беглое рассмотрение существующих фактических данных свидетельствует о том, что непрерывность выражена в географической сфере, пожалуй, более ярко, чем прерывность; отношения между непрерывностью и прерывностью неодинаковы в разных частях трехмерной географической оболочки, в разных районах Земли.

Так, отмечено, что дискретность в географической оболочке ослабевает по мере движения вверх от границы литосферы и атмосферы, в атмосфере дискретность ослабевает. Этим свойством пользуются, в частности, метеорологи-геофизики: при численных методах прогнозов верхний слой атмосферы принимают за континиум — непрерывное поле. На значительных высотах эти прогнозы, как известно, оправдываются хорошо. Но такая модель оказывается недостаточной для прогноза погоды приземного слоя атмосферы, где необходимо учитывать пленки холода в понижениях рельефа, влияние озер, локального снежного и ледяного покрова. В этих случаях представления об атмосфере как о континиуме противоречат действительности. Необходимым оказывается введение представления о воздушных массах как относительно дискретных объектах, о фронтах, о местных воздушных массах, местной погоде. Более того, относительная дискретность проявляется и в том, что существует озоновый экран, что возможен парниковый эффект. Это, казалось бы, в постепенно уходящем в космос пространстве!

Это же обстоятельство находит отражение в характере биокомплексов ландшафтных вертикальных поясов. Сравнительное однообразие условий более высоких слоев атмосферы, малая их трансформация, малое влияние расчлененной рельефом и растительностью подстилающей атмосферу поверхности приводят к тому, что даже в разных горных системах верхние вертикальные пояса — нивальный (снежный), пояс альпийской растительности — характеризуются очень высокой, сравнительно с другими вертикальными поясами, однотипностью, однородностью биологических и геоморфологических процессов и явлений. Напротив, дискретизация территориальных геоморфологических, биологических, климатических и гидрологических объектов особенно отчетливо проявляется в глубоких межгорных котловинах, часто несущих черты природы, резко отличные от природы окружающих их хребтов и равнин. Накапливаются также наблюдения, свидетельствующие о том, что дискретность биокомплексов резче проявляется в высоких широтах и слабее в экваториальной части ландшафтной сферы.

Человеческая деятельность часто подчеркивает дискретность или формирует четко очерченные объекты с резкими границами. Отделены безлюдными пространствами друг от друга селения.

Когда-то границы многих городов подчеркивались еще и крепостными стенами. Четки границы полей. Жестко соблюдаются пограничный и таможенный режимы. Контрольно-следовая полоса на границе кажется наиболее жестким символом прерывности политической карты. Нередко государственные границы отлично читаются на космических фотоматериалах в сравнительно малообжитых районах; хорошо читается южная граница СССР и сопредельных стран по степени сохранности пастбищ, граница с Финляндией по характеру лесных вырубок. Более того, как-то мои зарубежные коллеги показали мне участок границы между ФРГ и Францией, легко различимой с невысоких холмов по характеру возделывания земли.

Но последствия человеческой деятельности подчеркивают и континуальность, напоминая о себе кислотными дождями, ростом содержания в атмосфере углекислого газа, общим «вкладом» в разрушение нашего единого озонового экрана.

Не сочетаются с политическими границами и природные районы, а порою и этносы.

Сторонники концепции однозначной континуальности подчеркивают, что при более близком рассмотрении любой, казалось бы, резкой границы мы увидим, что она представляет переходную полосу. Такова, например, опушка леса, обогащенная кустарниками, волиоприбойная полоса… Наблюдение бесспорное. Но вот выводы из него? Ведь и физике пришлось выделить специальный и оказавшийся весьма актуальным раздел, посвященный углубленному исследованию «поверхности твердого тела». География не отстает: складывается учение об особых переходных природных комплексах — экотонных ландшафтах. Но и в этом случае возникает вопрос о границах (т. е. элементах прерывности) этих переходных комплексов, полос, зон.

Новый стимул для раздумий внесло разработанное экономико-географами представление: «Границы всегда — по условию — не только разъединяют, но и соединяют».

В последние годы исследования в области рекреационной географии позволили высказать гипотезу о чередовании в процессе формирования географического пространства (в частности, рекреационно-географического) этапов преобладания процессов континуализации и дискретизации пространства. Ведь сначала формируются отдельные предприятия отдыха — дискретные точки. Затем происходит насыщение пространства предприятиями, их сгущение — формирование своеобразного рекреационного поля (т. е. своеобразная континуализация пространства), далее нередко отмечается формирование на этом фоне участков концентрации как отражение тенденции к дискретизации пространства (они могут возникать на базе уникальных для данной местности ресурсов). И наконец, могут формироваться сравнительно обособленные территориально рекреационные системы с юридически очерченными границами и самостоятельными органами управления.

Наблюдений и суждений накопилось, казалось бы, достаточно. Достаточно для того, чтобы прийти к выводу: вопрос о соотношении прерывности и непрерывности географической оболочки, об их роли в ее пространственной организации поставлен на повестку дня и заслуживает углубленного исследования на базе анализа фактического материала. Но именно исследования, а не просто обсуждения…

Автор: В. С. Преображенский — доктор географических наук, профессор

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Лекция 3 42

Дискретная и континуальная концепции описания природы

Континуальность (непрерывность) и дискретность (прерывность) представляют собой две неразрывно связанные реальности объективного мира. Природа включает в себя огромное количество дискретных обособленных объектов: звезды, планеты, физические тела, живые организмы, атомы и др. Существует класс объектов, называемых корпускулы (частицы), этот термин подчеркивает их дискретность. В то же время природа непрерывна. Непрерывность предполагает взаимосвязь составляющих объект элементов и основывается на неделимости этого объекта как целого. Поэтому любой объект всегда сочетает прерывность и непрерывность.

Также дискретны и непрерывны основные формы любого бытия: движение, пространство и время. Движение рассматривается как непрерывный процесс и в то же время как последовательность определенных состояний. Именно это противопоставление использовал Зенон в знаменитых апориях.

Наиболее ярко непрерывные модели проявились в аэро- или гидродинамике, теории упругости, акустике, теории поля и других процессах. Здесь нашел применение и соответствующий математический аппарат: непрерывные функции, дифференциальное и интегральное исчисления. Дискретные модели реализуются в молекулярной физике, рассматривающей тела как дискретные ансамбли многих частиц. В микромире дискретность проявляется в форме квантовых состояний, которые не могут изменяться непрерывно.

Рассмотрим единство дискретного и непрерывного на примере колебаний и волн, поскольку волны в веществе рассматриваются как процесс распространения колебаний в упругой среде.

Колебаниями называют повторяющиеся во времени движения или процессы в природе. В таких процессах какая-либо физическая величина принимает через равные последовательные промежутки времени примерно одни и те же значения. Например, приливы и отливы на Земле, сокращения сердца, качания маятника. В физике выделяют механические и электромагнитные колебания, а также их комбинации. Несмотря на различную природу этих процессов, их многие закономерности оказались общими, поэтому и появилась теория колебаний и волн вообще. Физическая система, совершающая колебания, называется осциллятором.

Самыми простыми являются свободные гармонические колебания. Эти колебания происходят по закону синуса или косинуса и возникают, если система выведена из равновесия каким-либо образом и затем предоставлена самой себе. Поэтому они называются свободными или собственными. Для реализации свободных гармонических колебаний в системе не должно быть сил трения, тогда теоретических колебания будут продолжаться сколь угодно долго. За полное колебание выполняется закон сохранения и превращения энергии. Наличие трения в системе приведет к прекращению колебаний с течением времени, поэтому такие колебания называются затухающими. Примером могут служить детские качели. Отклоненные от положения равновесия они будут колебаться со своей собственной частотой, но с течением времени остановятся под действием сил трения. Колебания, возникающие в системе под действием внешней периодической силы, называются вынужденными.

Колебательные явления могут иметь разную природу, но обладать общими чертами и даже починяться общим закономерностям, что позволяет единым образом рассматривать механические, электрические и другие колебания. Поэтому их классифицируют по способу возбуждения (собственные, вынужденные, параметрические и автоколебания), по зависимости какой-то изменяющейся величины от времени и пр. С точки зрения кинематики различают периодические и непериодические колебания.

Резонанс. Всякая система, совершающая колебания, обладает своим способом колебательного движения, которому соответствуют собственные колебания, а им – собственные частоты. Их можно выделить в любом колебании. Если на систему подействовать периодически меняющейся силой, то системы откликнется малыми колебаниями, частота которых будет совпадать с частотой вынужденной силы. Если частота этой силы совпадет с одной из собственных частот системы, то амплитуды колебаний резко возрастут. Такое явление называется резонансом. Резонанс имеет место при настройке радиоприемника на частоту передающей станции. В нелинейных системах, содержащих источник энергии, могут возникать незатухающие колебания и без внешнего воздействия – это автоколебания.

Колебания, возникшие в какой-либо точке, способны в некоторых случаях распространятся в пространстве. Процесс распространения колебаний называется волной.

^ Волны – это изменение состояния среды, распространяющееся в ней без переноса вещества и несущее с собой энергию и импульс. Энергия, импульс и скорость – важнейшие характеристики волн. Процесс распространения колебаний (волна) может быть описан в общем виде математически. Волны переносят энергию любой величины от одной точки к другой, распространяясь с конечной скоростью, зависящей от среды их распространения: так, световые волны распространяются со скоростью 300 000 км/с, звуковые (в воздухе) – 344 м/с. Электромагнитные волны, приходящие на Землю от Солнца, имеют мощность 1 кВт/м 2 в широком диапазоне длин волн; эта энергия преобразуется зелеными растениями в химическую. При сжигании дерева или угля эта энергия вновь высвобождается.

Монохроматической называют волну от гармонического источника (осциллятора). Волновой фронт – геометрическое место точек, колеблющихся в одной фазе. Он отделяет область пространства, вовлеченную в волновой процесс, от той, где колебания еще не возникли. В зависимости от волновой поверхности волны могут быть плоскими или сферическими. В поперечных волнах взаимодействующие частицы перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны. Таковы волны, возникающие при распространении колебаний вдоль струны или мембраны. В электромагнитных волнах направления электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны. В продольных волнах частицы перемещаются вдоль направления распространения волны, например, распространения звука в воздухе или волн сжатия-растяжения в самой пружине. (Звуковыми называют упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука). В звуковых волнах плотность газа, где распространяется звуковая волна, меняется по закону синуса. В твердых телах распространяются продольные волны, в случае неоднородной плотности могут распространяться и поперечные. При распространении в среде без трения волна не будет затухать, смещение частицы среды будет описываться уравнением бегущей волны: y (x,t,) = A sin (t – x/c), где x – координата точки среды; А – амплитуда колебаний, т.е. максимальное смещение от положения равновесия; t – время; – частота колебаний; с – скорость распространения волны. Здесь смещение частицы является функцией двух переменных: координаты точки среды и времени. Важным случаем является стоячая волна, которая возникает при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу. В отличие от бегущей волны в стоячей волне не происходит переноса энергии. Поверхностные волны распространяются по поверхности раздела сред. Например, волны на поверхности воды сопровождают перемещение судов. При определенных условиях возможно возникновение необычной волны – уединенной. При исследовании сложения двух уединенных волн оказалось, что высокие уединенные волны движутся скорее, так как после взаимодействия волн сохраняются их форма и скорость, процесс похож на столкновение двух частиц. Такую волну назвали солитоном (от англ solitary – уединенный). И солитоны в самом деле ведут себя как частицы. При соприкосновении таких волн большая замедляется и уменьшается, а малая ускоряется и увеличивается. И далее – по циклу, подобно упругим шарам. Результатом взаимодействия солитонов может быть лишь сдвиг фаз. Океанические солитны (цунами, «девятый вал») могут возникать не только на поверхности, но и в глубинах, тогда из-за неоднородностей среды они образуют «групповые солитоны» (смерчи или торнадо). В нелинейной оптике наблюдается эффект самоиндуцированной прозрачности, эти солитоны естественно использовать для передачи информации по оптическим волокнам. Механизм усиления солитонов похож на явление комбинационного рассеяния света. Аналогичный механизм распространения имеет и «элементарная частица мысли» – нервный импульс. Было установлено, что по нерву распространяется не электрический ток, а некоторая электрохимическая реакция, порождающая бегущий импульс напряжения. При этом передний фронт импульса не расплывается, т.к. диффузия ионов через мембрану носит нелинейный характер – подавляет малые отклонения от нормального состояния и усиливает большие. Огромное количество вихрей – это тоже солитоноподобные образования.

^ Волновое описание процессов. На границе раздела двух сред с различными свойствами волны могут отражаться и преломляться. Явление отражения заключается в том, что при падении волны на границу раздела там появляется волна, которая распространяется от границы раздела обратно. Отражение электромагнитной волны от поверхности раздела сред лежит в основе радиолокации. Прохождение волны из первой среды во вторую называется преломлением. Преломленная волна будет распространяться во второй среде с другой скоростью и в другом направлении. Изменение этого направления характеризуется показателем преломления, который связан со скоростью распространения волны в данной среде. У световой волны показатель преломления зависит от частоты или длины волны. Такая зависимость носит название дисперсии. Следствием дисперсии является разложение белого света на цветные составляющие при прохождении луча, например, через призму.

Распространение волн в среде значительно отличается от движения тел или материальных точек. Волны способны огибать препятствия. Существует простой метод решения задач о распространении волн как акустических, так и световых, называемый принципом Гюйгенса – Френеля. Согласно этому принципу каждый элемент поверхности, которого достигла в данный момент времени волна, становится центром элементарных волн. Огибающая этих элементарных волн будет волновой поверхностью в следующий момент времени. Этот принцип был предложен Х. Гюйгенсом (1678) и впоследствии развит О.Ж. Френелем применительно к явлению интерференции волн. В какую-либо точку среды могут приходить волны от двух разных источников, тогда частицы среды испытают двойное воздействие со стороны соседних частиц. Это воздействие будет суммироваться довольно сложным образом в случае когерентных (согласованных) волн. Интерференцией называют сложение в пространстве двух или нескольких волн, при которых в разных точках достигается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Результатом наложения волн в различных точках пространства будет формирование интерференционной картины. Интерференционную картину можно наблюдать на поверхности воды; при наложении световых волн от когерентных источников и т.д. В естественных условиях широко распространена интерференция в тонких пленках: слой масла, бензина и др. на поверхности воды, мыльный пузырь, тонкие крылышки насекомых или окисные пленки на поверхности металла (цвета побежалости).

Другой особенностью распространения волн является дифракция – огибание лучами света контура непрозрачных тел, т.е. проникновение света в область геометрической тени. В естественных условиях дифракция наблюдается в виде нерезкой, размытой границы тени предмета. Простейшую дифракционную картину наблюдает человек, когда смотрит через ресницы. В дифракцией и интерференцией световых лучей связана радуга – оптическое явление, имеющее вид разноцветной дуги.

Явление поляризации, свойственное только поперечным волнам, состоит в следующем: луч света, пропускаемый через два кристалла исландского шпата, подвергался двойному лучепреломлению в зависимости от взаимной ориентации осей кристалла. Свет называется поляризованным, если направления колебаний вектора электрического поля (или магнитного поля) упорядочены каким-либо образом. В простейшем случае эти направления строго фиксированы, такой свет называется линейно поляризованным. Линейная поляризация достигается пропусканием света через определенные кристаллы. Явление поляризации света и особенности взаимодействия поляризованного света с веществом нашли широкое применение в исследованиях структуры различных веществ, в том числе биологических объектов. С помощью поляризованного света удается получать информацию об удаленных объектах, например, в астрофизике.

^ КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

Развитие представлений о свете. Теория Максвелла как обобщение основных законов электрических и магнитных явлений не только объяснила многие уже известные к тому времени экспериментальные результаты, но и предсказала новые явления, например существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели к созданию электромагнитной теории света, в соответствии с которой свет представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитные волны были впервые обнаружены немецким физиком Г. Герцем (1857-1894), доказавшим, что их возникновение и распространение полностью описываются уравнениями Максвелла. Практическое применение электромагнитных волн началось в 1895 г., когда русский физик и электротехник А.С. Попов создал первый радиоприемник, в котором в качестве источника волн он использовал вибратор Герца.

Развитие представлений о свете начинается с конца XVII в., когда почти одновременно возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: Ньютон предложил теорию, согласно которой свет – поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям, а современник Ньютона, нидерландский физик Гюйгенс (1629–1695) выдвинул волновую теорию: свет – упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире. В течение 100 с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая. Однако в начале XIX в. французскому физику О.К. Френелю (1788–1827) удалось на основе волновых представлений объяснить многие известные в то время оптические явления. В результате волновая теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие.

Долгое время считалось, что свет – это поперечная волна, распространяющаяся в гипотетической, упругой среде, заполняющей все мировое пространство и получившей название мирового эфира. После создания электромагнитной теории на смену упругим световым волнам пришли электромагнитные волны. В конце XIX – начале ХХ вв. ряд новых опытов заставил вновь вернуться к представлению об особых световых частицах – фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция и поляризация, свет ведет себя как волна, а в других (фотоэффект, эффект Комптона) – как поток частиц (фотонов).

Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводит к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений. Электромагнитной теории Максвелла не смогла объяснить явление дисперсии (зависимость показателя преломления среды от длины волны). Эта трудность была преодолена в конце XIX в. Х. Лоренцем (1853–1928), предложившим электронную теорию, учитывающую колебания электронов внутри атома.

Волновые свойства света. Основоположник волновой теории Х. Гюйгенс не отвергал существования корпускул, полагая, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света он представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи взаимодействия между корпускулами. Его сторонники считали, что свет распространяется в особой среде «эфире», заполняющей все мировое пространство и свободно проникающем во все тела. Световое возбуждение от источника света передается посредством эфира во все стороны. Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной стадии развития волновой теории света представляет принцип, сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса–Френеля состоит в том, что

каждая точка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь, становится источником вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции, дифракции, поляризации и дисперсии света.

Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн происходит усиление или ослабление колебаний.

Принцип интерференции впервые сформулировал в 1801 г. английский ученый ^ Томас Юнг (1773–1829). Необходимым условием интерференции является когерентность волн – согласованное протекание колебательных или волновых процессов. На интерференции основан принцип работы многих приборов – интерферометров, с помощью которых производят точные измерения, контроль чистоты обработки поверхности деталей и т.п.

Отклонение света от прямолинейного распространения называется дифракцией.

Волновую природу света доказывает поляризация света. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность изменяется в зависимости от взаимной ориентации кристаллов. Явление поляризации можно объяснить, считая свет поперечной волной.

Волновой природой света объясняется и дисперсия света, которая проявляется в том, что узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, соответствующие разной длине волны. Дисперсию света впервые экспериментально наблюдал Ньютон.

Белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, и показатель преломления зависит от длины волны. Так, для прозрачных веществ показатель преломления максимален для света с короткой длиной волны – фиолетового и минимален для длинноволнового света – красного.

Объяснение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к окончательному утверждению волновой теории света.

^ Квантовые свойства света. В 1887 г. немецкий физик, один из основоположников электродинамики Генрих Герц (1857–1894) при освещении цинковой пластины обнаружил, что с поверхности пластины под действием света вырываются отрицательно заряженные частицы. Позднее было доказано, что эти заряженные частицы – электроны.

Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Закономерности фотоэффекта были установлены экспериментально в 1888–1889 гг. русским физиком ^ А.Г. Столетовым (1839–1896). Попытка объяснить их в рамках электромагнитной теории света Максвелла не удалась.

Теория Максвелла не смогла объяснить не только фотоэффект, но и процессы испускания и поглощения света, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца, в свою очередь, оказалась несостоятельной в объяснении механизма взаимодействия света с веществом, распределения энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела и др.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком ^ М. Планком (1858–1947), согласно которой

излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия ^ E которых определяется частотой ν:

E = hν

где h – постоянная Планка. Порции энергии настолько малы, что дискретный характер электромагнитного излучения трудно заметить в повседневной жизни и в опытах классической физики. Изменение энергии кажется непрерывным. Исходя из дискретного (прерывистого) набора значений энергии электромагнитного излучения, М. Планк вывел закон распределения интенсивности по частотам. Формула Планка подтвердилась экспериментально во всех известных тогда областях частот и температур. Сравнение с опытом, в частности, позволило определить значение постоянной Планка. Фактически это означало возрождение корпускулярной теории света, но не отвергающее волновую теорию, а дополняющее ее. Попытки обосновать гипотезу М. Планка с классических позиций оказались безуспешными. Интересно, что сам автор не видел в идее квантов реального физического смысла, а рассматривал ее как удачный математический прием.

Квантовая теория Планка не нуждалась в «эфире» и объяснила закономерность теплового излучения абсолютно черного тела. ^ А. Эйнштейн сразу же усмотрел в идее квантов глубокий физический смысл и применил ее к теории фотоэффекта. В 1905 г. он обосновал квантовую природу света: свет не только излучается и поглощается порциями (квантами), но и распространяется квантами. Иначе говоря, свет состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами. Фотон – частица с энергией E = hν и импульсом p = mc = h/λ, где с – скорость света, λ – длина волны. Взаимодействием этой частицы с электронами А. Эйнштейн объяснил законы фотоэффекта, эмпирически установленные А.Г. Столетовым в 1888-1890 голах.

Таким образом, квантовые представления о свете согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия света, объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействие с веществом показывает, что

свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).

Длительный путь развития естествознания привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.

^ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА

1. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми , поскольку время считается обратимым.

2. Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Согласно этому принципу, случайность целиком исключается из природы. Все в мире строго детерминировано (или определено) предшествующими состояниями.

^ 3. Пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер.

4. Доминирует тенденция свести закономерности более высоких форм движения к законам простейшей его формы – механическому движению.

^ 5. Выделена связь механизма с принципом дальнодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

Сформированную после механического представления о мире новую электромагнитную картину мира можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной. Отметим некоторые общие характеристики этой парадигмы. Она включает не только представления о полях, но и появившиеся к тому времени новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в Периодической системе Д.И. Менделеева и ряд других результатов познания природы. В эту же концепцию вошли идеи квантовой механики и теории относительности, о которых речь еще будет идти дальше.

Главным в таком представлении является возможность описать большое количество явлений на основе понятия поля. В отличие от механической картины было установлено, что материя существует в виде вещества и в виде поля. Электромагнитное взаимодействие на основе волновых представлений достаточно уверенно описывает не только электрические и магнитные, но и оптические, химические, тепловые и механические явления. Сделаны попытки увязать корпускулярную природу микрообъектов с полевой природой процессов. Было установлено, что «переносчиком» взаимодействия электромагнитного поля является фотон, который подчиняется уже законам квантовой механики. Делаются попытки найти гравитон как носитель гравитационного поля.

Однако, несмотря на существенное продвижение вперед в познании окружающего нас мира, электромагнитная картина мире не свободна от недостатков. Так, в ней не рассматриваются вероятностные переходы; по существу, вероятностные закономерности не признаются фундаментальными, сохранены детерминистский подход Ньютона к описанию отдельных частиц и жесткая однозначность причинно-следственных связей (что сейчас оспаривается синергетикой)., ядерные взаимодействия и их поля объясняются не только электромагнитными взаимодействиями между заряженными частицами. В целом такое представление понятно и объяснимо, так как каждое проникновение в природу вещей углубляет наши представления и требует создания новых адекватных физических моделей. Тем не менее, это была картина классической физики, которая изучала знакомый нам макромир.

Так в рамках классической физики возникла достаточно стройная и завершенная картина мира, описывающая и объясняющая движение, гравитацию, теплоту, электричество и магнетизм, свет. Казалось знание физики практически построено, не хватает лишь нескольких деталей….

Источник