ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

Физическая картина мира. При изучении человеком различных проблем его поведение, степень эффективности решаемых ими задач зависят от того, насколько адекватно и глубоко его понимание реальности, в какой мере он может правильно оценивать ту ситуацию, в которой приходится действовать и применять свои знания. От этого зависит, насколько правильным будет его выбор.

С развитием человечества задачи решаемые им усложнялись, постепенно все большое значение приобретали не только те знания, которые имели непосредственное практическое значение, но и те, которые относились к общим представлениям об окружающем мире.

Современная наука нацелена на построение единой целостной картины мира, изображая ее как взаимосвязанную «сеть бытия».

В общественном сознании исторически складываются и постепенно изменяются разные картины мира, которые обычный человек воспринимает как данность, как объективность, существующую независимо от наших личных мнений.

Мы будем рассматривать только научный взгляд на мир, который возник в рамках естественных наук и называется естественнонаучной картиной мира. Существенный вклад в эту картину вносит физика. С каждым естественнонаучным открытием система научных представлений о мире становится все полнее. С развитием науки на смену одной картине мира приходит другая. Это называют научной революцией, понимая под ней коренную ломку прежних представлений о мире.

Научная картина мира — это наши теоретические представления о мире. Она не только итог развития знания, но и самое общее теоретическое знание — система важнейших понятий, принципов, законов, гипотез и теорий, лежащих в основе описания окружающего нас мира.

Картина мира не только обобщает все ранее полученные знания о природе, но и вводит в естествознание новые философские принципы и гипотезы, которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания.

Термин «картина мира» указывает, что речь идет не о части или фрагменте знания, а о целостной системе. Поэтому она позволяет нам видеть мир, не полагаясь на опыт и не зная многих его деталей, а также качественно объяснять и не охваченные теориями явления.

Когда мы говорим «картина мира», то предполагаем, что есть мир и есть его картина, точно так же, как считается, что есть события и есть восприятие событий. Она указывает на отнесенность наших знаний к объекту — миру в целом — и свидетельствует об относительности человеческого знания. Картина мира является необходимым элементом современного естественнонаучного мышления.

Физическая картина мира создается благодаря фундаментальным экспериментальным исследованиям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие наше понимание природы. Девятнадцатый век стал веком коренной смены парадигм научного мышления и радикального изменения естественнонаучной картины мира.

Вплоть до нашего времени в науке господствовала возникшая в Новое время ньютоновско-картезианская парадигма — система мышления, основанная на идеях Ньютона и Декарта, которому принадлежала идея принципиальной двойственности реальности: материя и ум (сознание) являются различными, независимыми, параллельными субстанциями или мирами. Другими словами, мир существует независимо от воли людей. Поэтому материальный мир можно описать объективно, не включая в описание человека-наблюдателя с его специфической позицией, его субъективностью.

Таким образом, идея строго объективной науки вытекает из декартовских онтологических построений (онтология — теория бытия).

Данное разделение позволило ученым рассматривать материю как нечто неживое и полностью отдельное от них самих, а материальный мир — как огромный и сложный агрегат, состоящий из множества различных частей. Эти идеи оказали огромное влияние на развитие общества и в наше время еще полностью не изжиты. Это проявляется в том, что такое разделение отражает наш взгляд на «внешний» мир, который мы воспринимаем как множество отдельных вещей и событий.

Наше стремление разделить мир на отдельные самостоятельные вещи — это всего лишь иллюзия, которая порождена нашим оценивающим и анализирующим сознанием. Ряд фактов говорит о том, что современную цивилизацию ожидают качественные перемены. Существует множество примеров-предупреждений, что возможности порядка, существующего тысячелетия, уже исчерпаны. В настоящее время людям нужны новые знания и новое мировоззрение. Этому способствует современная естественнонаучная картина мира.

В своем развитии физика прошла длинный путь: от первых шагов, которые начинались в лоне древнегреческой философии две с половиной тысячи лет назад, до современных представлений о мире. Однако основные открытия были сделаны в последние 300 лет. Мы остановимся лишь на трех наиболее крупных этапах развития: XVII — середина XIX вв., середина XIX в. — 1930 г. и период с 1885 по 1905 гг. Именно в это время были сформулированы представления об окружающем мире, которые теперь называют механической (механистической) и электромагнитной картинами мира.

Механистическая картина мира. Становление механической картины мира связывают с именами Г. Галилея,

И. Кеплера и особенно И. Ньютона. Формирование механической картины мира потребовало нескольких столетий; практически оно завершилось лишь в середине XIX в. Механистическая картина мира возникла на основе классической механики, обобщении законов движения свободно падающих тел и движения планет, а также создания методов количественного анализа механического движения в делом.

Эту картину следует рассматривать как важную ступень в познании человеком окружающего мира. Основу механистической картины мира составляет идея атомизма, т. е. все тела (твердые, жидкие, газообразные) состоят из атомов и молекул, находящихся в непрекращающемся тепловом движении. Взаимодействие тел происходит как при их непосредственном контакте (трение, силы упругости), так и на расстоянии (силы тяготения). Все пространство заполняет всепроникающий эфир — среда, в которой распространяется свет. Атомы рассматриваются как некие дельные, неделимые «кирпичики»; сцепляясь друг с другом, они образуют молекулы и в конечном счете все тела. Природа этого сцепления не исследовалась, не было понимания сущности эфира.

Эта картина мира основана на четырех принципиальных моментах.

  • 1. Мир построен на едином фундаменте — на законах механики Ньютона. Все наблюдаемые превращения в природе, а также тепловые явления сводились на уровне микроявлений к механике атомов и молекул.
  • 2. Механистическая картина мира исходила из представлений, что микромир аналогичен макромиру.
  • 3. В механистической картине мира отсутствует развитие, т. е. мир считался в целом таким, каким он был всегда.
  • 4. В механистической картине мира все причинно- следственные связи — однозначные, здесь господствует лапласовский детерминизм, согласно которому, если известны начальные данные системы, то можно точно предсказать ее будущее.

Данная парадигма господствовала в естествознании до середины второй половины XIX в. По своей сути эта картина мира является метафизической, поскольку в ней отсутствуют внутренние противоречия и качественное развитие, все происходящее в мире жестко предопределено, а все разнообразие мира сведено к механике. В механистической картине мира понимание сводится к построению механической модели: если я могу представить такую модель — я понимаю, если не могу — значит, не понимаю его.

Электромагнитная картина мира. Электромагнитная картина мира начала формироваться во второй половине XIX в. на основе исследований в области электромагнетизма.

Основную роль здесь сыграли исследования М. Фарадея и Д. Максвелла, которые ввели понятие физического поля. 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 необходимость в эфире отпала. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется какая-то особая среда — эфир.

Электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение трех десятилетий XX в. 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.

Основные черты электромагнитной картины мира. 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. Теперь все стремятся свести к электромагнетизму.

Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение. 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. А известно, что ядро атома содержит не только протоны, но и нейтроны. Силы, действующие в веществе, сводились 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 неверным). Электрон и протон — стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны. Картина, на первый взгляд, выглядела безупречно. Но в эти рамки не вписывались такие, как считалось тогда, «мелочи», например, радиоактивность и др. Скоро выяснилось, что эти «мелочи» являются принципиальными. Именно они и привели к «краху» электромагнитной картины мира.

Электромагнитная картина мира представляла огромный шаг вперед в познании мира. Многие ее детали сохранились и в современной естественнонаучной картине: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления в веществе (но не в самих атомах), ядерная модель атома, дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и др. Но и в этой картине мира также господствуют однозначные причинно-следственные связи, все таким же образом жестко предопределено. Вероятностные физические закономерности не признаются фундаментальными и поэтому не включаются в нее. Эти вероятности относили к коллективам молекул, а сами молекулы все равно следовали однозначным ньютоновским законам. Не менялись представления о месте и роли человека во Вселенной. Таким образом, и для электромагнитной картины мира также характерна метафизичность мышления, где все четко разграничено, внутренние противоречия отсутствуют.

Особое место в развитии науки занимает период с конца XIX по начало XX вв.

К 80-м гг. XIX в. сложилось убеждение, что физика как наука находится на завершающем этапе своего развития, а описание законов природы должно вскоре принять всеобъемлющую и окончательную форму. Достижения физики в области механики, электромагнетизма, оптики, термодинамики породили иллюзию полного торжества человеческого разума, раскрывшего все тайны природы, привели к абсолютизации знаний. Но в относительно короткий период с 1885 по 1905 гг. были сделаны открытия, которые говорили, что ни о каком завершении физики как науки не может быть и речи. Эти открытия не только вступали в противоречие с существующими концепциями, но и опровергали многие «старые» принципы.

Перечислим кратко некоторые наиболее важные открытия. В 1885 г. И. Бальмер обнаружил закономерность в открытой им серии спектральных линий водорода; в 1887 г. Г. Герц открыл фотоэффект. В 1895 г. В. Рентген открыл новый вид излучения (Х-лучи) — рентгеновское излучение. В 1896 г. А. Беккерель — явление самопроизвольного излучения урановой соли, которое получило название радиоактивности. В 1898 г. открыты новые элементы, обладающие радиоактивностью. В 1897 г. Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. Природа новых открытий не была понятна, они не укладывались в рамки сформированных к тому времени представлений. Впервые в физике была обнаружена дискретность, которая проявилась в линейчатости спектров газов. Понятие дискретности потребовалось и для объяснения загадок фотоэффекта. Физики привыкли к тому, что физические величины всегда изменяются непрерывно — идея дискретности им казалась «безумной».

Оказалось, что эфир не существует, не была понятна природа Х-излучения.

Всегда считалось, что химические элементы незыблемы, но выяснилось, что они могут взаимопревращаться. Непонятно откуда берется энергия. Все это сильно потрясло физиков. В связи с этим стали возникать сомнения в справедливости даже закона сохранения энергии. Создалось впечатление, что рушатся фундаментальные законы. Начали ставиться под сомнение основополагающие принципы: закон сохранения энергии, второе начало термодинамики и др.

Среди физиков стала модной фраза, что материя исчезла — остались лишь одни уравнения. Этот период можно назвать кризисом физики.

Таким образом, XIX в. подвел человека к пониманию диалектики природы, как говорят философы, но он сам остался на позициях метафизического материализма.

Современная естественнонаучная картина мира. Современные представления о мире сложились практически целиком на основании достижений науки XX в.

Теория относительности радикально изменила наше понимание пространственно-временных отношений, квантовая механика — причинно-следственных связей. Современная космология нарисовала удивительную историю эволюции Метагалактики, начавшуюся около 10...20 млрд лет тому назад, раскрыла единство и целостность космоса, проявляющиеся, прежде всего, во взаимосвязи фундаментальных физических взаимодействий.

Биология выявила молекулярные основы процессов жизнедеятельности, проникла в тайны передачи наследственной информации, соединила идеи эволюции и генетики в новую синтетическую теорию, на основе которой удалось понять механизмы образования и изменения живых организмов.

Синергетика продемонстрировала, что процессы самоорганизации могут происходить не только в мире живого, но и в неживой природе.

Математика, химия, информатика, языкознание, психология и другие науки также внесли немалый вклад в современную научную картину мира.

Имеются все основания для того, чтобы сказать, что не в одном прошлом столетии наше понимание мира не претерпело столь значительных изменений в результате развития науки.

Сейчас все осознают огромное значение науки не только для практической деятельности, но и для духовной жизни, для формирования современного мировоззрения.

Естественнонаучная картина мира рассматривает Вселенную как единое целое. Наука рисует Вселенную как однородную, самосогласованную и простую в больших масштабах. Физика показала, что «инструкции» для самосогласованного однородного космоса заключены в ее законах.

Свойства фундаментальных взаимодействий определили развитие ранней Вселенной и организацию ее единой структуры, отличающейся простотой в больших масштабах.

При смене картины мира пересматриваются основные вопросы мироздания, структура знаний и место науки в жизни общества.

Вселенная возникла внезапно, в результате Большого взрыва — чудовищного катаклизма, когда температура и давление значительно превосходили их предельные значения, которые мы наблюдаем сегодня.

В настоящее время приходит осознание, что мир является нелинейным. Нелинейность присуща не только физическим процессам. Все глобальные процессы — экономические, социологические, демографические, экологические — описываются нелинейными законами.

В естествознании активно исследуются процессы самоорганизации материи.

Показано, что новые структуры могут возникать в точках ветвления системы (точках бифуркации), когда становится существенным выбор решения и пути развития, а в промежутках между ними поведение системы описывается обычными причинно-следственными законами.

Упорядоченные структуры возникают не только в термодинамике, но и в астрофизике, нелинейной оптике, химии, биологии, экологии, геологии и т. д. Все это свидетельствует в пользу единства естествознания.

Новая картина мира пока только формируется. Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно сложна и одновременно проста. Ее сложность состоит в том, что она может поставить в тупик человека, привыкшего мыслить классическими представлениями с их наглядной интерпретацией явлений и процессов, происходящих в природе. С такой точки зрения современные представления о мире выглядят в какой-то мере «безумными» . Существует ряд принципов организации современного научного знания, таких как системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация и историчность.

Системность отражает воспроизведение наукой того факта, что Вселенная предстает перед нами как самая крупная из известных нам систем, состоящая из огромного множества подсистем различного уровня сложности и упорядоченности.

Эффект системности состоит в появлении у системы новых свойств, которые возникают благодаря взаимодействию ее элементов между собой.

В настоящее время можно утверждать, что практически вся современная картина мира пронизана и преобразована физикой и химией. Более того, она включает в себя наблюдателя, от присутствия которого зависит наблюдаемая картина мира.

Глобальный эволюционизм означает признание того факта, что Вселенная имеет эволюционный характер — Вселенная и все, что в ней существует, постоянно развивается и эволюционирует, т. е. в основе всего сущего лежат эволюционные, необратимые процессы. Это свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составная часть которого есть историческое следствие эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация — это способность материи к само- усложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. По-видимому, образование все более сложных структур самой различной природы происходит по единому механизму, который является универсальным для систем всех уровней.

Одной из главных особенностей современной картины мира является ее абстрактный характер и отсутствие наглядности, особенно на фундаментальном уровне. Последнее обусловлено тем, что на этом уровне мы познаем мир не с помощью чувств, а используя разнообразные приборы и устройства. При этом мы уже принципиально не можем игнорировать те физические процессы, с помощью которых получаем сведения об изучаемых объектах.

Нам доступна лишь физическая реальность как часть объективной реальности, которую мы познаем с помощью опыта и нашего сознания, т. е. факты и числа, получаемые с помощью приборов. При углублении и уточнении системы научных понятий мы вынуждены все дальше уходить от чувственных восприятий и от понятий, которые возникли на их основе.

Коротко сформулируем те черты, которые составляют основу современной естественнонаучной картины мира.

Специальная теория относительности установила неразрывную связь пространства и времени, а общая теория относительности показала зависимость этого единства от свойств материи. Опыт человечества показал, что поток времени неизменен: его нельзя ни ускорить, ни замедлить, ни обратить назад. Он кажется независимым от событий и выступает как ни от чего не зависящая длительность.

Так возникло представление об абсолютном времени, которое, наряду с абсолютным пространством, где происходит движение всех тел, составляет основу классической физики.

Ньютон считал, что абсолютное, истинное, математическое время, взятое само по себе без отношения к какому-нибудь телу, протекает единообразно и равномерно.

Общую картину мира, нарисованную Ньютоном, коротко можно выразить так: в бесконечном и абсолютном неизменном пространстве с течением времени происходит движение миров. Ни у пространства, ни у времени не может быть границ, или, образно говоря, река времени не имеет истоков (начала). В противном случае это бы нарушало принцип неизменности времени и означало бы «создание» Вселенной.

Отметим, что уже философам-материалистам Древней Греции тезис о бесконечности мира представлялся доказанным.

В ньютоновской картине не возникало вопроса ни о структуре времени и пространства, ни о их свойствах. Кроме длительности и протяженности, у них других свойств не было. В этой картине мира такие понятия, как «сейчас», «раньше» и «позже», были абсолютно очевидными и понятными. Ход земных часов не изменится, если перенести их на любое космическое тело, а события, случившиеся при одинаковом показании часов, где бы то ни было, надо считать синхронными для всей Вселенной. Поэтому можно использовать одни часы, чтобы установить однозначную хронологию. Однако как только часы отдаляются на все большие расстояния I, возникают трудности из- за того, что скорость света с хоть и велика, но конечна. Действительно, если наблюдать за отдаленными часами, например, в телескоп, то мы заметим, что они отстают на

величину —. Это отражает тот факт, что «единого мирово- с

го потока времени» просто нет.

Специальная теория относительности обнаружила еще один парадокс. При изучении движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, выяснилось, что река времени не так проста, как думали раньше.

Эта теория показала, что понятия «сейчас», «позже» и «раньше» имеют простой смысл только для событий, которые происходят недалеко друг от друга. Когда сравниваемые события происходят далеко, то эти понятия однозначны только в том случае, если сигнал, идущий со скоростью света, успел дойти от места одного события до места, где произошло другое. Если это не так, то соотношение «раньше — позже» неоднозначно и зависит от состояния движения наблюдателя. То, что было «раньше» для одного наблюдателя, может быть «позже» для другого. Такие события не могут влиять друг на друга, т. е. не могут быть причинно связанными. Это обусловлено тем, что скорость света в пустоте всегда постоянна. Она не зависит от движения наблюдателя и является предельно большой. Ничто в природе не может двигаться быстрее света.

Еще более удивительным оказалось то, что течение времени зависит от скорости движения тела, т. е. секунда на движущихся часах становится «длиннее», чем на неподвижных.

Время течет тем медленнее, чем быстрее по отношению к наблюдателю движется тело. Этот факт надежно измерен и в опытах с элементарными частицами, и в прямых опытах с часами на летящем самолете.

Таким образом, свойства времени только казались неизменными. Релятивистская теория установила неразрывную связь времени с пространством. Изменение временных свойств процессов всегда связаны с изменением пространственных свойств.

Дальнейшее развитие понятие времени получило в общей теории относительности, которая показала, что на темп времени влияет поле тяготения. Чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время по сравнению с его течением вдали от тяготеющих тел, т. е. время зависит от свойств движущейся материи.

Наблюдаемое извне время на планете течет тем медленнее, чем она массивнее и плотнее. Этот эффект имеет абсолютный характер.

Таким образом, время является локально неоднородным и на его ход можно оказывать влияние. Правда, наблюдаемый эффект обычно мал.

Таким образом, концепция абсолютного времени как единого потока, равномерно текущего независимо от наблюдателя, была разрушена. Абсолютного времени как оторванной от материи сущности нет, но есть абсолютная скорость любого изменения и даже абсолютный возраст мироздания, рассчитанный учеными. Скорость света сохраняет свое постоянство даже в неоднородном времени.

Дальнейшие изменения в представлениях о времени и пространстве произошли в связи с открытием черных дыр и теории расширения Вселенной. Оказалось, что в сингулярности пространство и время перестают существовать в обычном смысле этого слова. Сингулярность — это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени, так же как и все известные законы физики. В сингулярности свойства времени координально изменяются и приобретают квантовые черты.

Но нельзя считать, что сингулярность — это граница времени, за которой существование материи происходит уже вне времени. Просто здесь пространственно-временные формы существования материи приобретают совсем необычный характер, а многие привычные понятия становятся порой бессмысленными. Однако при попытке представить себе что это такое, мы попадаем в затруднительное положение из-за особенностей нашего мышления и языка.

О характере законов природы в сингулярности пока только догадываются. Это передний край современной науки, и многое здесь будет еще уточняться. Время и пространство приобретают в сингулярности совсем другие свойства. Они могут быть квантовыми, могут иметь сложное топологическое строение и т. д.

Но в настоящее время понять это детально не представляется возможным не только потому, что очень сложно, но и потому, что специалисты сами не очень хорошо знают, что все это может означать, тем самым подчеркивая, что наглядные интуитивные представления о времени и пространстве как неизменной длительности всего сущего правильны лишь в определенных условиях. При переходе к другим условиям должны быть существенно изменены и наши представления о них.

Сформировавшиеся в рамках электромагнитной картины понятия поля и вещества получили дальнейшее развитие в современной картине мира, где содержание этих понятий существенно углубилось и обогатилось. Вместо двух видов полей, как в электромагнитной картине мира, теперь рассматривается четыре, при этом электромагнитное и слабое взаимодействия удалось описать единой теорией электрослабых взаимодействий. Все четыре поля на корпускулярном языке интерпретируются как фундаментальные бозоны (всего 13 бозонов). Каждый предмет природы является сложным образованием, т. е. имеет структуру (состоит из каких-либо частей). Вещество состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из электронов и ядер. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов (нуклонов), которые, в свою очередь, состоят из кварков и антикварков. Последние сами по себе — в свободном состоянии, не существуют и не имеют никаких отдельных частей, как электроны и позитроны. Но по современным представлениям они потенциально могут содержать в себе целые замкнутые миры, имеющие собственную внутреннюю структуру.

В конечном счете, вещество состоит из фундаментальных фермионов — шести лептонов и шести кварков (не считая антилептонов и антикварков).

В современной картине мира основным материальным объектом является вездесущее квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Здесь уже нет непроходимой границы между веществом и полем. На уровне элементарных частиц постоянно происходят взаимопревращения поля и вещества.

Согласно современным взглядам взаимодействие любого вида имеет своего физического посредника.

Такое представление основано на том, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом — скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание передается через вакуум.

Упрощенную современную модель процесса взаимодействия можно представить следующим образом. Заряд- фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. По своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Можно сказать, что заряд возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние. Частицы поля являются виртуальными — они существуют очень короткое время и в эксперименте не наблюдаются. Две частицы, оказавшись в радиусе действия своих зарядов, начинают обмениваться виртуальными частицами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей, с которой она взаимодействует. Обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания между взаимодействующими частицами. Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица, переносящая это взаимодействие. Каждому фундаментальному взаимодействию присущи свои переносчики-бозоны. Для гравитации — это гравитоны, для электромагнитных взаимодействий — фотоны, сильное взаимодействие обеспечивается глюонами, слабое — тремя тяжелыми бозонами.

Эти четыре типа взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи. Более того, имеются основания считать, что все фундаментальные взаимодействия не независимы, а могут быть описаны в рамках единой теории, которую называют суперобъединением. Это еще одно доказательство единства и целостности природы.

Взаимопревращаемостъ — характерная черта субатомных частиц. Электромагнитной картине мира была присуща стабильность; недаром в ее основе лежат стабильные частицы — электрон, позитрон и фотон.

Но стабильные элементарные частицы — это исключение, а правилом является нестабильность. Почти все элементарные частицы нестабильны — они самопроизвольно (спонтанно) распадаются и превращаются в другие частицы. Взаимопревращения происходят и при столкновениях частиц.

При столкновениях в действительности происходит не расщепление частиц, а рождение новых, они рождаются за счет энергии сталкивающихся частиц. При этом возможны не любые превращения частиц. Способы преобразования частиц при столкновениях подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира субатомных частиц.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего, это законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса продуктов распада меньше массы покоя распадающейся частицы. Законы сохранения связаны с симметрией, которая, как считают многие физики, является отражением гармонии фундаментальных законов природы.

Квантовая теория показала, что вещество постоянно находится в движении, не оставаясь в состоянии покоя ни на мгновение. Это говорит о фундаментальной подвижности материи, ее динамизме. Материя не может существовать без движения и становления. Вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы, существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий.

Эти взаимодействия питают бесконечный поток энергии, проявляющийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических структур.

В результате взаимодействий образуются устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела.

С одной стороны, частицы оказывают влияние на пространство, с другой — они являются несамостоятельными частицами. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир, несмотря на то, что в этом мире безраздельно властвует ритм, движение и непрестанное изменение.

Динамическая природа мироздания проявляется не только на уровне бесконечно малого, но и при изучении астрономических явлений. Мощные телескопы помогают ученым следить за непрестанным движением вещества в космосе. Вращающиеся облака газообразного водорода, сгущаясь, уплотняются и постепенно превращаются в звезды. При этом температура их сильно возрастает, они начинают светиться. Со временем водородное топливо выгорает, звезды увеличиваются в размерах, расширяются, затем сжимаются и заканчивают свою жизнь гравитационным коллапсом, при этом некоторые из них превращаются в черные дыры. Все эти процессы происходят в различных уголках расширяющейся Вселенной. Таким образом, вся Вселенная вовлечена в бесконечный процесс движения или, говоря словами восточных философов, в постоянный космический танец энергии.

В современной картине мира ситуация принципиально иная — здесь фундаментальными являются вероятностные закономерности, несводимые к динамическим. Нельзя точно предсказать, какое превращение частиц произойдет, можно говорить только о вероятности того или иного превращения; нельзя предсказать момент распада частицы и т. д.

Но это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом.

Поведение любой части целого обусловлено ее многочисленными связями с последним, а поскольку об этих связях мы, как правило, не знаем, нам приходится от классических понятий причинности перейти к представлениям о статистической причинности.

Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым вероятность атомных явлений определяется динамикой всей системы. Если в классической физике свойства и поведение целого определяются свойствами и поведением его отдельных частей, то в квантовой физике все обстоит совершенно иначе: поведение частей целого определяется самим целым. В современной картине мира случайность стала принципиально важным атрибутом; она выступает здесь в диалектической взаимосвязи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность вероятностных закономерностей. Случайность и неопределенность лежат в основе природы вещей, поэтому язык вероятности стал нормой при описании физических законов.

В прежних картинах мира вакуум рассматривался просто как пустота. В современной — это не пустота в обычном смысле, а основное состояние физических полей, вакуум «заполнен» виртуальными частицами. Понятие «виртуальная частица» тесно связано с соотношением неопределенностей для энергии и времени. Она принципиально отличается от обычной частицы, которую можно наблюдать в эксперименте.

Виртуальные частицы появляются сами по себе и тут же исчезают, считается, что они не требуют затрат энергии.

По замечанию одного из физиков, виртуальная частица ведет себя как кассир-мошенник, регулярно успевающий вернуть взятые из кассы деньги, прежде чем это заметят. В физике мы не так редко встречаемся с вполне реально существующим, но до случая себя не проявляющим. Например, атом в основном состоянии не испускает излучения. Значит, если на него не действовать, он останется ненаблюдаемым. Говорят, что виртуальные частицы ненаблюдаемы. Но они не наблюдаемы до тех пор, пока на них определенным образом не подействовать. Когда же они сталкиваются с реальными частицами, имеющими соответствующую энергию, то происходит рождение реальных частиц, т. е. виртуальные частицы превращаются в реальные.

Физический вакуум представляет собой пространство, в котором рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. В этом смысле физический вакуум обладает определенной энергией, соответствующей энергии основного состояния, которая постоянно перераспределяется между виртуальными частицами.

Но воспользоваться энергией вакуума мы не можем, потому что это самое низкое энергетическое состояние полей, соответствующее самой минимальной энергии (меньше быть не может). При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей — тогда будут наблюдаться обычные частицы. С этой точки зрения обычный электрон теперь представляется как бы окруженным «облаком» или «шубой» виртуальных фотонов.

Как показывают эксперименты, виртуальные частицы в вакууме вполне реально воздействуют на реальные объекты, например, на элементарные частицы. Физики знают, что отдельные виртуальные частицы вакуума невозможно обнаружить, но их суммарное воздействие на обычные частицы опыт замечает. Все это соответствует принципу наблюдаемости.

Многие физики считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики.

Из пустого вместилища всех физических явлений пустота превратилась в динамическую сущность огромной важности. Физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд, проявляются именно при взаимодействии с вакуумом.

Поэтому любой физический объект в настоящее время рассматривается как момент, элемент космической эволюции Вселенной, а вакуум считается мировым материальным фоном.

Современная физика демонстрирует, что на уровне микромира материальные тела не имеют собственной сущности, они являются неразрывно связанными со своим окружением: их свойства могут восприниматься только в терминах их воздействий с окружающим миром.

Таким образом, неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого — этот факт получает признание в современной физике и космологии.

В современной картине мира вещество, как и поле, состоит из элементарных частиц, которые взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются.

Вакуум «превратился» в одну из разновидностей материи и «состоит» из виртуальных частиц, взаимодействующих друг с другом и с обычными частицами.

Таким образом, исчезает граница между веществом, полем и вакуумом. В современной картине мира физика тесно объединяется с другими естественными науками — она фактически сливается с химией и выступает в тесном союзе с биологией; недаром эту картину мира называют естественнонаучной.

Адиабатические инварианты — физические величины, остающиеся практически неизменными при медленном (адиабатическом), но не обязательно малом изменении внешних условий, в которых находится система, либо самих характеристик системы (внутреннее состояние, масса, электрический заряд идр.). Отмеченное изменение должно происходить за время т, значительно превышающее характерные периоды движения системы. В классической механике адиабатическими инвариантами являются переменные действия, определяемые зависимостью:

где рк — обобщенный импульс; qk — обобщенная координата.

Для гармонического осциллятора адиабатическим инвариантом является отношение его энергии к частоте. При адиабатическом изменении условий становятся связанными между собой независимые физические величины, например, амплитуда колебаний маятника и его длина.

Физически важным примером адиабатического инварианта служит магнитный момент, создаваемый током заряженной частицы при ее движении в медленно меняющемся магнитном поле.

На сохранении адиабатических инвариантов основано так называемое «дрейфовое приближение», используемое в физике плазмы, а также действие «магнитных пробок» , применяемых с целью управляемого термоядерного синтеза.

Количество адиабатических инвариантов не превышает числа степеней свободы, по которым движение системы ограничено в пространстве.

Краткая хронология наиболее важных событий приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Хронология наиболее важных событий

Период

Характеристика

20 млрд лет назад

Большой взрыв

3 мин спустя

Образование вещественной основы Вселенной

Продолжение табл. 1.1

Период

Характеристика

Через несколько сотен лет

Появление атомов (легких элементов)

19-17 млрд лет назад

Образование разномасштабных структур (галактик)

15 млрд лет назад

Появление звезд первого поколения, образование тяжелых атомов

5 млрд лет назад

Рождение Солнца

4,6 млрд лет назад

Образование Земли

3,8 млрд лет назад

Зарождение жизни

450 млн лет назад

Появление растений

150 млн лет назад

Появление млекопитающих

2 млн лет назад

Начало антропогенеза

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >