Непрерывный и дискретный мир классической физики

Содержание 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Понятие дискретности и непрерывности…………………………………4
2. Электромагнитная картина мира: вещество

и электромагнитное поле…………..............................................................6

3. Теория электромагнитного поля Дж. Максвелла……………………….10
4. Электромагнитные волны………………………………………………...11
5. Электронная теория Лоренца…………………………………………….13

Заключение……………………………………………………………………….15

Список  использованной литературы…………………………………………...16

Приложение  № 1…………………………………………………………………18

Приложение  № 2…………………………………………………………………21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Дискретность и непрерывность – две категории, характеризующие как структуру материи, так и процесс её развития. Дискретность (прерывность) означает «зернистость», делимость пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих её элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития. Непрерывность выражает единство, взаимосвязь и взаимообусловленность элементов, составляющих ту или иную систему определённой степени сложности.

     Непрерывность основывается на относительной устойчивости и неделимости объекта как  качественно определённого целого. Именно единство частей целого и обеспечивает возможность самого факта существования  и развития объекта как целого. Таким образом, структура какого-либо предмета, процесса раскрывается как единство прерывности и непрерывности.

     Прерывность обеспечивает возможность сложного, внутренне дифференцированного, разнородного строения вещей, явлений. А «зернистость», делимость того или иного объекта составляет необходимое условие для того, чтобы элемент данной структуры выполнял определённую функцию в составе целого. Вместе с тем прерывность обусловливает возможность дополнения, а также замены и взаимозамены отдельных элементов системы.

     Эти два понятия являются основополагающими  для дискретного и непрерывного мира классической физики, в связи  с чем целью данной работы является раскрытие данных понятий; изучение электромагнитной картины мира; исследование характера электромагнитных полей и электромагнитных волн; кроме того, в задачи данной работы входит анализ практической значимости представлений классической физики на современном этапе.  
 

1. Понятие дискретности и непрерывности

      Дискретность (прерывность) - отграниченность элементов, состояний объекта. Она основывается на делимости и определённой степени внутренней дифференцированности материи в её развитии, а также на относительно самостоятельном существовании составляющих её устойчивых элементов, качественно определённых структур, например элементарных частиц, ядер, атомов, молекул, кристаллов, организмов, планет, общественно-экономических формаций и т.д. Прерывность представляет собой неразрывную связь элементов и состояний объекта; расчлененность, нарушение однородности, постепенности; отграниченность друг от друга относительно независимых элементов некоего процесса или множества; выделенная, подчеркнутая самостоятельность субъединиц целого, которые можно пересчитать; противоположна непрерывности, континуальности [http://www.terme.ru/dictionary/176/word/diskretnost.html].

     В классической физике дискретность и  непрерывность являются существенными  характеристиками, отражающими противоположные, но взаимосвязанные свойства материальных объектов. Так, прерывность характеризует дискретные состояния материи (планеты, тела, кристаллы, молекулы, атомы, ядра и т. д.), степень ее дифференциации в виде отдельных устойчивых элементов различных систем, качественно определенных структурных уровней. Она выражается также в скачкообразном характере процесса развития, изменения. Непрерывность, напротив, выявляется в целостности систем, состоящих из отдельных дискретных элементов, в бесконечности их связей, постепенности изменения состояний, плавном переходе из одного в другое [Ахундов 1974: 87].

     Для метафизического материализма было характерно обособленное рассмотрение прерывности и непрерывности. Оно основывалось, в частности, на представлениях классической механики, считавшей прерывность присущей только определенным типам материальных элементов (от планет до атомов), а непрерывность — лишь целостным волновым процессам. Диалектический материализм  подчеркивает не только противоположность,  но и взаимосвязь, единство  этих признаков, что подтверждается современной физикой, которая показала, например, что как свет,  так и вещество  одновременно обладают и волновыми (непрерывными) и корпускулярными (прерывными) свойствами. В квантовой механике было экспериментально установлено, что элементарные частицы имеют как корпускулярные, так и волновые свойства.

     Таким образом, во взаимосвязи категорий прерывности и непрерывности выражается сущность  движения, его противоречивость. Движение  предстает как единство прерывности и непрерывности изменений состояния, положения тела в пространстве и времени. Такая диалектика  дает возможность  научного понимания специфики материальных объектов, их свойств и отношений (пространство и время,  движение, взаимосвязь поля и вещества и др.) [Философский энциклопедический словарь 1989: 203-204].

      Отметим, что в физике дискретность и непрерывность, прежде всего, находят отражение в научной атомистике как теории материи (от греч. atomos – «неделимый»), она исторически представлена в классической механике и оптике, в молекулярно-кинетической теории газов, в квантовой механике и др.

     Понятия дискретности и непрерывности интересовали ученых еще в эпоху античности, так, согласно античному атомизму, все в мире состоит из атомов и между ними пустота, связь атомов возникает случайно, спонтанно. Противоречие дискретности и непрерывности в ту эпоху было заострено Зеноном из Элеи (ок. 490 – 430 до н.э.) в знаменитых апориях (парадоксах) движения («Ахиллес», «дихотомия», «ристалище», «стрела») [Пенроуз 1972: 11-12].

     В Новое время, Г.Лейбниц, идя вслед  за Аристотелем (384/383-322/321 гг. до н.э.), считал непрерывность универсальной характеристикой мира: в мире нет никаких перерывов, пробелов и «все связано со всем». Эта концепция непрерывности целиком вытекает из гипотезы абсолютной связности и слитности мира как целого, в том числе, в топологическом смысле. Связность при этом понимается как наличное взаимодействие, взаимная обусловленность и нерасторжимость любых двух моментов существования объектов любого рода [http://www.nrc.edu.ru/est/r2/index.html].

      Из  вышесказанного можно сделать вывод  о том, что в физике дискретность (от лат. discretus – «разделенный, прерывистый») означает «зернистость» строения материи, ее атомистичность. Понятие дискретности распространяется на все окружающее нас, будь то предметы, вещества, живые организмы или пространство. Дискретность (прерывность) противопоставлена непрерывности. Например, дискретное изменение какой-либо величины во времени - это изменение, происходящее через определенные промежутки времени (скачками); система целых чисел (в противоположность системе действительных чисел) является дискретной. 

2. Электромагнитная  картина мира: вещество и электромагнитное поле

     Согласно  электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой  сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира — дискретности и непрерывности.

     Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.

     В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально  выступают как противоположные  друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие  свойства [Найдыш 2004: 90-91].

     Электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение всего XX века, она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это была картина классической физики.

     Выделим ее основные черты:

     1. Согласно этой картине материя существует в двух видах - веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля - электромагнитное и гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие - оптические, химические, тепловые. Все в большей степени сводится к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение [Недельский 1996: 70].

     2. В качестве элементарных "кирпичиков", из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы - электрон, протон и фотон. Фотоны - кванты электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм «примиряет» волновую природу поля с корпускулярной, т.е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные «кирпичики» вещества - электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку. Ядро состоит из протонов.

     3. Силы, действующие в веществе, сводятся к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра; они же обеспечивают прочность атомного ядра (что оказалось в дальнейшем неверным). Электрон и протон - стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны [http://www.lib.mexmat.ru/books/5240].

     Исследование  взаимодействия электрических зарядов, проводившееся в то время, привело к появлению нового научного понятия «электромагнитное поле». В процессе формирования этого понятия на смену механической модели «эфира» пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные «состояния» эфира. Впоследствии было установлено, что электромагнитное поле является обособленным видом материи и для его распространения не требуется «эфир».

     Доказательством этих утверждений являются работы выдающегося английского физика М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал φ [Вяльцев 1995: 45-46].

     Природа магнетизма оставалась неясной до конца  XIX в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля (рис.1), силовые линии магнитного поля замкнуты (рис.2), т.е. оно является вихревым.

     В 1820 году французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

     Законы  Ома, Джоуля-Ленца стали одними из важнейших открытий в области электричества и заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме [Концепции современного естествознания 2003: 123-124].

     Исследования  английского физика М.Фарадея (1791-1867 гг.) придали определенную завершенность  изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи  явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона заключается в том, что изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДС_i = k*dФ_m/dt, где dФ_m/dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур. С 1831 по 1855 гг. выходит главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству». Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитного поля [Грушевицкая 2005: 76].