Текст книги "Концепции современного естествознания"

Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались однородность – одинаковость свойств во всех точках, и изотропность – независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное (длина, ширина, высота), а время – как одномерное и идущее в одном направлении: от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

В истории науки известны две концепции пространства: пространство как неизменное вместилище материи (взгляд И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Г. Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Из специальной теории относительности следует, что длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нем процессов не абсолютные, а относительные величины. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него. «Стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света… часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света».[40]40
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С 158.


[Закрыть]

Экспериментально подтверждено, что частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно нее частице как сферическая, а по отношению к налетающей на нее с очень большой скоростью частице – как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного п-мезона составляет примерно 10^-8 с, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) – во много раз больше. Итак, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.

Изменения в представлении о пространстве и времени, внесенные теорией относительности, отражены в табл. 2.

Общая теория относительности внесла дальнейшие изменения в представления о пространстве и времени, о чем речь пойдет далее.

Таблица 2

Современные представления о пространстве и времени

Примечание: знак «?» означает, что наука не имеет пока ответы на эти вопросы.

Найденное А. Эйнштейном объединение принципа относительности Г. Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна. Понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.

В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не инерциальны. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе неинерциальные, системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некоторой степени аналогичен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла».[41]41
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С. 196.


[Закрыть] И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.

Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов».[42]42
  Там же. С. 120.


[Закрыть] Представление о поле как еще одном, наряду с веществом, виде материи победило механицизм, имевший дело лишь с веществом.

Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент, только что протекший».[43]43
  Там же.


[Закрыть] Это существенно новый момент естественнонаучной картины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве и аналогичным образом действует гравитационное поле.

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В евклидовой геометрии, созданной древнегреческим математиком Евклидом (ок. 330–275 до н. э.), поверхности представляют собой плоскости, и основывается эта геометрия на пяти основных аксиомах. В неевклидовой геометрии, первую из которых создал русский ученый Н.И. Лобачевский, поверхности вогнутые или выпуклые. В них не действует пятая аксиома о непересечении параллельных линий и соответственно меняются все основные соотношения. Так, например, сумма углов треугольника становится меньше или больше 180°. Графически это изображено на рис. 4.

Рис. 4. Сумма углов треугольника

До создания теории относительности считалось само собой разумеющимся, что пространство Вселенной может быть представлено тремя плоскостями (измерениями): длина, ширина, высота, и геометрия пространства подчиняется соотношениям Евклида. Теория относительности, связавшая свойства пространства со свойствами находящейся в нем материи, ввела понятие кривизны пространства. Коэффициент кривизны зависит от силы тяготения в данной точке пространства. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механика остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

Теория относительности связала также массу и энергию соотношением E = Мс², где с – скорость света. В теории относительности «два закона – закон сохранения массы и сохранения энергии – потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы».[44]44
  Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. С. 69.


[Закрыть] Явление аннигиляции, при котором частица и античастица взаимно уничтожают друг друга, и другие явления физики микромира подтверждают данный вывод.

Итак, теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит, таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс (следствие, отмеченное еще Г. Галилеем, что все тела, независимо от их состава и массы, падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением).

До XX в. были открыты законы функционирования вещества (И. Ньютон) и поля (Д. Максвелл). В XX в. неоднократно предпринимались попытки создать единую теорию поля, в которой соединились бы вещественные и полевые представления, – пока безуспешные.

В 1967 г. была выдвинута гипотеза о наличии тахионов – частиц, которые двигаются со скоростью, большей скорости света. Если эта гипотеза когда-нибудь подтвердится, то возможно, что из очень неуютного для обычного человека мира относительности, в котором постоянна только скорость света, мы снова вернемся в более привычный мир, в котором абсолютное пространство напоминает надежный дом со стенами и крышей. Но пока это только мечты, о реальной осуществимости которых можно будет говорить, наверное, не скоро.

В заключение приведем слова из книги В. Гейзенберга «Часть и целое» о том, что же означает понимание как таковое. «Понимать» – это, по-видимому, означает овладеть представлениями, концепциями, с помощью которых мы можем рассматривать огромное множество различных явлений в их целостной связи, иными словами, «охватить» их. Наша мысль успокаивается, когда мы узнаем, что какая-нибудь конкретная, кажущаяся запутанной ситуация есть лишь частное следствие чего-то более общего, поддающегося тем самым более простой формулировке. Сведение пестрого многообразия явлений к общему и простому первопринци-пу или, как сказали бы греки, «многого» к «единому», и есть как раз то самое, что мы называем «пониманием». Способность численно предсказать событие часто является следствием понимания, обладания правильными понятиями, но она непосредственно не тождественна пониманию».[45]45
  Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. С. 165.


[Закрыть]

1. Что такое физикализм и редукционизм?

2. Что такое принцип относительности?

3. Как понимаются пространство и время в современной науке?

4. Что такое аннигиляция?

5. Чем общая теория относительности отличается от специальной?

6. Как соотносятся в теории относительности масса и энергия?

1. Каковы принципы общей теории относительности?

а) все в природе относительно;

б) пространство не зависит от материи;

в) пространство неразрывно связано с материей;

г) движение в природе относительно.

2. Что такое абсолютное пространство и время?

а) нечто непознаваемое;

б) нечто, существующее независимо ни от чего;

в) неизменное;

г) находящееся за пределами восприятия.

3. Принцип относительности в физике означает:

а) законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах;

б) относительны пространство и время;

в) пространство искривлено;

г) законы относительны, так как они содержат лишь часть истины.

4. Что абсолютно в теории относительности?

а) пространство;

б) законы;

в) скорость света;

г) пространственно-временной континуум.

1. Оппенгеймер Р. Летающая трапеция. М., 1967.

2. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

3. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

Глава 11
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. М. Планк в 1900 г. предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами, и математически представил это в виде формулы E = hv, где v– частота света, а h– универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли таким образом прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.

Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий, можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно предположить, что часть их проходит через одно отверстие, часть – через другое. Законы квантовой механики – законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества. – А.Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать… почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель».[46]46
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С. 232.


[Закрыть] В микромире господствует статистика, т. е. можно определить лишь средние значения большого числа объектов, как это имеет место в статистике.

Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов».[47]47
  Гейзенберг В. Шаги за горизонт. С. 117.


[Закрыть]

В первой модели атома, построенной на основе экспериментального обнаружения квантования света, Н. Бор (1913) объяснил это явление тем, что излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую, при этом рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней, между которыми осуществлялся переход. Так возникает линейчатый спектр – основная особенность атомных спектров (в спектрах оказываются лишь определенные длины волн).

Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл. Поведение потока частиц – электронов, атомов, молекул – при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т. п. Луи де Бройль предположил, что электрон – это волна определенной длины.

Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц – квантовую. Это получило название корпускулярно-волново-го дуализма. Как же описывать процессы в микромире, если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий – волновую или квантовую».[48]48
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С. 215.


[Закрыть]

Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, другие – квантовой, поэтому следует использовать формулы и из волновой, и из квантовой теории – таков смысл принципа дополнительности Н. Бора. «Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления возможно исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме».[49]49
  Гейзенберг В. Шаги за горизонт. С. 203.


[Закрыть]

С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 г. В. Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение.

Соотношение неопределенностей гласит, что для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц.

В более общем плане можно сказать, что только часть относящихся к квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные значения, остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому ни в одной квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические величины.

Энергию системы также можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины. Причина этого – во взаимодействии системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергии возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этом выводе и основана гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума». В соответствии с нею вакуум рассматривается как виртуальный (т. е. возможный; это понятие возникло в квантовой механике и в настоящее время стало очень модным) мир, в котором возможно спонтанное возникновение энергетического потенциала, преобразующегося затем в вещество. Следует обратить внимание на слово «спонтанное». Оно соответствует еще одному принципу, введенному в квантовой механике – принципу индетерминизма. В классической науке господствовал принцип детерминизма (от лат. определение), в соответствии с которым каждое событие является следствием какой-либо причины. Невозможны события, не имеющие причины. Схематически это изображается так:

П → С,

где П – причина, а С – следствие. Статистический характер квантовой механики заставляет признать, что одна причина может иметь разные следствия

и к одному следствию могут вести разные причины

(это получило название неоднозначного детерминизма). Дальнейшее продвижение по этому пути приводит к принципу индетерминизма, т. е. к отрицанию того, что все события должны обязательно иметь причину.

Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как писал В. Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет».[50]50
  Гейзенберг В. Шаги за горизонт. С. 24.


[Закрыть] Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а во-вторых, представление о субъект-объектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы».[51]51
  Там же. С. 61.


[Закрыть] Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние неустранимо в ходе эксперимента и фиксируемым результатом выступает взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.

Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:

♦ каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;

♦ вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света);

♦ можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;

♦ прибор, исследующий реальность, влияет на нее;

♦ точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы.

По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя, во-первых, найти истину безотносительно от измерительного прибора; во-вторых, знать одновременно и положение, и скорость частиц; в-третьих, установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX в.