Дифференциация научного знания была необходимым этапом в развитии науки. Частные науки классифицировались с точки зрения их предмета или метода.
В философии существует категория материи, которая обозначает объективную реальность, независимую от восприятия. В физике под понятием материи понимается любое вещество. Вещество может находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Принципиально отличное от обычного «вещества» состояние материи в виде поля.
Материальный мир делиться на три сферы: неживая природа, живая природа, социум. Структурность — внутренняя расчлененность реального мира. Неживая природа представлена уровнями: субмикроэлементарном, микроэлементарном, ядерном, атомном, молекулярном, макротел, планет, систем планет, галактик, систем галактик, метагалактик, Вселенной или мира в целом. Живая природа имеет свои уровни: доклеточный (ДНК, РНК, белки), клетки, многоклеточные организмы, виды и популяции, биоценозы, биосфера. Социум представлен уровнями: индивид, семья, коллективы, социальные группы, этносы и нации, государство, союзы государств, человечество.
Материя имеет сложное строение, которое можно рассматривать на нескольких структурных уровнях: на мега уровне материя рассматривается в виде галактик, на макро уровне материя может представлять собой определенное тело, например, стол, на микро уровне — этот стол уже рассматривается как сложная система частиц (молекул, затем — атомов, затем — элементарных частиц). Таким образом весь материальный мир можно рассматривать как мега мир — мир галактик, звезд, комет и др. небесных тел, макро мир — мир окружающих нас вещей, и микро мир — невидимый мир молекул, атомов и элементарных частиц. При этом мега мир включает в себя микро мир (галактики состоят из более мелких тел), макро мир включает в себя микро мир (любое тело состоит из элементарных частиц). Какова структура материи на уровне меньше чем макро уровень (с размерами меньше 10-16 см) пока не ясно. В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна. В таких масштабах материя однородна и изотропна, т.е. св-ва везде одинаковы. С развитием науки познания о материи расширяются и горизонты ее изучения раздвигаются.
Для описания макро и мега мира используются уравнения и законы классической физики, которые позволяют определить их положение, скорость, траекторию и т.д. Но эти уравнения бессильны описать микро мир, для этого необходима квантовая физика и статистическая физика, описывающая параметры элементарных частиц вероятностными характеристиками с учетом их волновых свойств. Распределение и структуру материи на мега уровне изучает астрофизика, на микро уровне — атомная физика, ядерная, физика элементарных частиц. Изучает материю на макро уровне физика твердого тела, физика жидкостей и газов.
5. Развитие взглядов на физическую картину мира. Классическая физика, электродинамика, квантовая и статистическая физика
Под картиной мира понимается система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего мира. С развитием науки появляются новые теории, открываются новые законы. Естественно те теории, которые господствуют в определенный исторический период, формируют физическую картину мира.
До 19 в. существовала физическая картина мира основанная на классической физике. В основе ее лежали законы движения, которым подчинялись и физические тела вокруг и небесные тела. Известно, что Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления для решения этих задач: мгновенная скорость определялась как первая производная пути по времени, ускорение — как первая производная от скорости по времени или вторая производная пути по времени. Благодаря этому были сформулированы законы динамики и закон всемирного тяготения. Эти законы проверялись экспериментально. Таким образом в тот период в основе изучения природы лежали основные законы механики сформулированные Ньютоном:
1. Закон инерции (всякое тело продолжает оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока под воздействие внешних сил не изменит его).
2. Изменение количества движения пропорционально действующей силе и происходит по прямой по которой действует эта сила.
3. Всякому действию есть равное и противоположно направленное противодействие.
Такая картина мира давала представление о действующих на тела силах, но не уточняло причину. Например, — «сила притяжения пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния», но причины тяготения этим законом не устанавливались.
Электродинамика дополнила существующую картину мира, установив зависимость между электрическими и магнитными явлениями. Ученые 19 в. обнаружили, что магнитная стрелка отклоняется над проводником с током, во вращающемся в магнитном поле замкнутом контуре возникает ток. Было показано, что существуют не только тела, но и поля (гравитационные, электромагнитные). После того как объектом изучения стали не только тела, но и поля картина мира приобрела более сложный характер.
В конце 19-20 вв. были сделаны крупные открытия, коренным образом изменившие физическую картину мира. Прежде всего это открытия строения вещества, взаимодействия поля и вещества и законов микромира. Оказалось, что атом состоит из элементарных частиц, которые подчиняются законам не классической физики, а квантовой механики и статистической физики. Кроме того было обнаружено, что элементарные частицы обладают не только корпускулярными свойствами, но и волновыми. Так было установлено, что между веществом и полем нет непроходимой границы. Для объяснения процессов микромира была создана квантовая механика. Квантовая механика не дает однозначных ответов, а определяет лишь вероятность того или иного результата. Ее главное открытие — вероятностный характер предсказаний. Например вероятность нахождения электрона в определенном месте равняется квадрату модуля волновой функции, которая описывает волновые свойства частиц. Статистическая физика изучает свойства сложных систем и связь со свойствами отдельных частиц. В ней используются методы рассматривающие распределение частиц по скоростям с помощью функций распределения, которая определяет вероятность определенной скорости для частицы. Таким образом с развитием науки физическая картина мира становится все сложнее и приобретает вероятностный характер.
6. Пространство и время. Понятие состояния. Принципы симметрии. Законы сохранения
Пространство и время это формы существования материи. Представления об этих понятиях изменялось по мере достижений науки. До появления теории относительности их считали независимыми (ньютоновские представления), потом поняли, что они органически связаны друг с другом. Согласно Ньютону пространство и время абсолютны, т.е. св-ва не меняются со временем и не зависят от распределения в-ва, время во всех точках течет равномерно и одинаково. Распределение в-ва в таком пространстве и его движение описывается законом всемирного тяготения. Это пространство называется евклидовым или линейным. Положение тела в пространстве определяется тремя координатами x, у, z, но для описания движения необходимо ввести четвертую координату — время, координаты пространства и время рассматриваются независимо. Процессы рассматриваются обратимые, т.е. знак этого параметра (времени) может меняться на обратный. Для классической механики характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени. Т.е. выходит, что время не влияет на процессы, что не соответствует действительности (с течением времени неизбежно протекают различные необратимые физические процессы).
Все эти положения о времени и пространстве остаются верными в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по этим меркам отрезков времени. Но когда речь заходит об описаниях Вселенной в целом или ее части, или в условиях сильных полей тяготения, то эти представления перестают соответствовать действительности.
Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что реальное пространство во Вселенной неэвклидово, геометрия его меняется со временем, а время течет с разной скоростью в разных точках Вселенной. Понятия пространства и времени соединены в единое понятие пространственно-временной непрерывности. В этом случае состояние любого тела описываются тремя пространственными координатами и четвертой координатой — временной.
Самой простой симметрией является — однородность и изотропность пространства. Это проявляется в том, что любой физический прибор работает одинаково в любой точке пространства если не меняются окружающие физические условия. Т.е. физические законы инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов. Еще одна важная симметрия — однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они не начались. Но эта симметрия нарушается в слабом распаде некоторых элементарных частиц. И хотя эти нарушения очень малы, они играют важную роль в физике элементарных частиц, т.к. приводят к абсолютному различию между частицами и античастицами. Существует кроме того зеркальная симметрия. Так существует зеркальная симметрия строения молекул.
Но самую важную симметрию открыл Эйнштейн, обнаружив всеобщность пространственно-временной симметрии. Т.е. все физические, химические, биологические явления не изменяются при поворотах поворот означает такое изменение координат, когда не изменяются расстояния между точками постоянство распространения света при повороте. Так все симметрии выше названные были объединены в одну всеобщую — все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в четырехмерном пространстве-времени.
Важнейшим следствием симметрии состоит в том, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. В частности закон сохранения энергии есть строгое следствие однородности времени (полная энергия замкнутой системы тел остается неизменной), а закон сохранения импульса (в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов остается постоянной) следует из однородности пространства. То же относится к законам сохранения вещества и заряда. (В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной).