Текст книги "Концепции современного естествознания"

В химии элементом назвали субстанцию, которая не могла быть разложена или расщеплена какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении ученых: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами. Затем в физике появилось понятие атома, заимствованное у Демокрита (от греч. неделимый), которым была названа мельчайшая единица материи, входящая в состав химического элемента. Химический элемент состоит из одинаковых атомов.

Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В первой модели атома, предложенной Э. Ре-зерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10^-8 см, а ядра – 10^-12 см. Масса протона больше массы электрона примерно в 2000 раз. Плотность ядра 10¹⁴ г/см³. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий, в миллионы раз превосходящих энергию химических процессов.

В XX в. открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Их можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.

Английский ученый П. Дирак предсказал существование античастиц с той же массой, что и частицы, но зарядом противоположного знака. На ускорителях высоких энергий получены позитроны (античастицы электронов) в 1932 г. и антипротоны в 1955 г. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов – безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица – античастица». Вопрос о существовании галактик из антивещества остается открытым.

Изучают свойства атомов и элементарных частиц на гигантских ускорителях (первый построен в 1929 г. в Англии), в которых частицы двигаются по спирали. Современный ускоритель представляет собой установку в полкилометра в окружности и строятся все более мощные.

Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» (по Аристотелю), которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной реальностью.

Понятия «химический элемент» и «элементарная частица» свидетельствуют о том, что и то и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово «элемент» (неделимый) и для следующего уровня взяли ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения – «кварк». Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части. Будет ли конец возможности расщепления – определит прогресс научного знания.

Теоретически предсказанные кварки, главная особенность которых – дробный заряд, были затем экспериментально найдены. В 1994 г. обнаружен последний из шести разновидностей, самый тяжелый кварк.

Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют структуру нашего мира: гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые.

Гравитационное взаимодействие – первое, которое было открыто, и оно составляет физическую основу закона всемирного тяготения. Первоначальное название этого взаимодействия – сила тяготения, или притяжения. Но так как понятие силы относится к одностороннему воздействию, а в реальности не одно тело, имеющее большую массу, действует на другое, а все тела притягиваются друг к другу, то понятие взаимодействия более точно отражает суть процесса. За счет гравитационного взаимодействия существуют звездные системы. Если бы его не было, то планеты могли бы «не захотеть» вращаться вокруг звезд. Именно гравитационное взаимодействие создает тот порядок (космос, по-гречески), благодаря которому существуют не только звездные системы, но и образуются все крупные тела из диффузного вещества. Итак, гравитационное взаимодействие лежит в основе развития Вселенной.

Электромагнитные взаимодействия во много раз сильнее гравитационного.

«Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать».[52]52
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С. 65.


[Закрыть] При электромагнитном взаимодействии происходит испускание и поглощение «квантов света» – фотонов. Электромагнитное взаимодействие необходимо для создания и соединения атомов и молекул. Ядро атома, в котором находятся протоны и нейтроны, заряжено положительно, и оно притягивает отрицательно заряженные электроны, которые вращаются вокруг ядра.

Сильные взаимодействия, открытые ядерной физикой в ХХ в., происходят между адронами (от греч. сильный), к которым относятся барионы (от греч. тяжелый) – это нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны, и мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на малых расстояниях (радиус примерно 10^-13 см), они короткодействующие в отличие от длиннодействующих гравитационных и электромагнитных.

Одно из проявлений сильных взаимодействий – ядерные силы. Сильные взаимодействия открыты Э. Резерфор-дом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра (этими силами объясняется рассеяние а-частиц, проходящих через вещество). Согласно гипотезе Юкавы (1935) сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – переносчика ядерных сил. Это п-мезон, обнаруженный в 1947 г., с массой в шесть раз меньше массы нуклона, и найденные позже другие мезоны. Нуклоны окружены «облаками» мезонов.

Сильные взаимодействия в 100-1000 раз сильнее электромагнитного. Они необходимы для создания ядер атомов, а также самих элементарных частиц, из которых состоят ядра атомов – протонов и нейтронов. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.

Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Они также действуют только на очень малых расстояниях в пределах атомного ядра. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. За счет слабого взаимодействия происходят превращения атомных ядер, а так как именно такие процессы протекают в недрах звезд, то можно сказать, что за счет слабого взаимодействия светит Солнце (при превращении атома водорода в атом гелия протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью: оно проходит через железную плиту толщиной 1 млрд км. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.

Слабое взаимодействие представляет собой неконтактное взаимодействие, которое осуществляется путем обмена промежуточными тяжелыми частицами, аналогичными фотону.

Все четыре типа взаимодействий осуществляются за счет особых частиц, называемых бозонами. Фотон переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон – гравитационные, глюоны – сильные ядерные взаимодействия, векторные бозоны – слабые ядерные взаимодействия.

Одна из главных задач современной физики – создать общую теорию поля и физических взаимоотношений. Но действительное развитие науки далеко не всегда совпадает с планируемым.

Новый диалог с природой возникает и в результате изучения механизмов эволюции неживых систем в новой науке – синергетике. «Установившееся в результате ее (науки. – А.Г.) успехов, ставшее для европейцев традиционным видение мира – взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он – вне ее, выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции».[53]53
  Краткий миг торжества. С. 315.


[Закрыть]

1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

2. Что такое принцип дополнительности?

3. Каково значение вероятностных методов в квантовой механике?

4. В чем специфика отношения прибор – объект в квантовой механике?

5. Чем вещество отличается от поля?

6. Сколько существует физических взаимодействий и как они называются?

1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

а) разложимость света;

б) двойственность в поведении объектов микромира;

в) несовпадение свойств у одной и той же элементарной частицы, полученной на разных ускорителях;

г) разные типы элементарных частиц.

2. Какое физическое взаимодействие в природе самое слабое?

а) электромагнитное;

б) слабое;

в) гравитационное;

г) сильное.

3. Что такое соотношение неопределенностей?

а) не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения частиц определимы;

б) невозможно узнать траекторию движения частиц;

в) невозможно узнать скорости движения частиц;

г) свободные проявления частицами самых разных свойств.

4. Что такое индетерминизм?

а) двойственность;

б) связь объекта с субъектом;

в) независимость;

г) нарушение принципа причинности.

1. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. М., 1987.

2. Борн М. Моя жизнь и взгляды. М., 1973.

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

Глава 12
СИНЕРГЕТИКА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ МАТЕРИИ

Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, раскрывающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в них входит небольшое число независимых переменных, т. е. величин, меняющих свое значение, и поэтому взаимоотношения между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам. Пример: гравитационная система, которая в соответствии с законом всемирного тяготения имеет две независимые переменные – массу и расстояние.

Помимо простых существуют сложные системы, которые состоят из большого числа независимых переменных и, стало быть, большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта – выведение закономерностей его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы.

Такие сложные системы изучает, например, метеорология – наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, почему точно можно определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, но предсказать погоду на завтра удается не всегда? Потому, что климатические процессы представляют собой гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними.

Разделение систем на простые и сложные – фундаментальное в естествознании. Еще одно важное разделение – на системы устойчивые (равновесные) и неустойчивые (неравновесные).

Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем:

♦ система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т. п.);

♦ поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории;

♦ приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, ее энтропия (мера неоднородности распределения энергии) уменьшается;

♦ наличие бифуркации – переломной точки в развитии системы;

♦ когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия короткодействующие (действуют на расстояниях порядка 10^-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.

Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что представлено в табл. 3.

Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне система стремится к состоянию равновесия – наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры – кристалл.

Таблица 3

Сравнение областей равновесности и неравновесности

К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.

Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно древним грекам. И. Пригожин и И. Стенгерс называют хаотическими все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно детерминистично, т. е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.

«Экстраполяция динамического описания… имеет наглядный образ – демон, вымышленный Лапласом и обладающий способностью, восприняв в любой данный момент времени положение и скорость каждой частицы во Вселенной, прозревать ее эволюцию как в будущем, так и в прошлом… В контексте классической динамики детерминистическое описание может быть недостижимым на практике, тем не менее оно остается пределом, к которому должна сходиться последовательность все более точных описаний».[54]54
  Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. С. 124.


[Закрыть]

Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике. «Модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас понимаем, лишь предельным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости… Материя – более не пассивная субстанция, описываемая в рамках механистической картины мира, ей также свойственна спонтанная активность».[55]55
  Там же. С. 50.


[Закрыть]

В другой книге эти же авторы пишут: «Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим»,[56]56
  Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994. С. 255–256.


[Закрыть] т. е. «стрелы времени». «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения. Мир процессов, в котором мы живем и который является частью нас, не может более отвергаться как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения. На заре западного мира Аристотель ввел фундаментальное различие между божественным и вечным небесным миром и изменяющимся и непредсказуемым подлунным миром, к которому принадлежит и наша Земля. В определенном смысле классическая наука была низведением на Землю аристотелевского описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотелевского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо»,[57]57
  Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. С. 20.


[Закрыть] т. е. Вселенная предстает такой же изменяющейся, как и Земля.

Эволюция должна удовлетворять трем требованиям:

♦ необратимости, которая выражается в нарушении симметрии между прошлым и будущим;

♦ необходимости введения понятия «событие»;

♦ некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

Условия формирования новых структур: открытость системы;

♦ ее нахождение вдали от равновесия;

♦ наличие флуктуаций.

Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуаций зависит порог устойчивости системы.

Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию нового объекта. Система колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в новом направлении, который резко изменит все ее поведение. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм – и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

По мнению И. Пригожина и И. Стенгерса, большинство систем открыто: они обмениваются энергией или веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы непрестанно меняются.

В точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который назвали диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.

Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии.

Таким образом, энтропия – не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смерти» Вселенной), а при определенных условиях становится прародительницей порядка.

«С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипативных структур. Это – следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к „выбору“ одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) мы и приписываем таким системам определенную „автономию“, или „самоорганизацию“».[58]58
  Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. С. 67.


[Закрыть] Понятие самоорганизаци противостоит понятию организации в том смысле, что изменения происходят под влиянием внутренних факторов, действующих в системе, а не накладываются на нее извне.

Исследования, о которых говорится выше, проводятся в рамках науки, получившей название синергетики.

Классическая термодинамика XIX в. изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и получило название синергетики (от «синергия» – сотрудничество, совместное действие).

Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, и не только механическую, но и работу по созиданию новых структур.

Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат.

В XIX в. Ч. Дарвином была создана теория эволюции живой природы, которая выявила условия и механизмы возникновения новых видов жизни. Синергетика делает то же самое в отношении неживых уровней организации материи – элементарных частиц и т. д.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «Дайте мне энергию, и я создам мир».