Текст книги "Концепции современного естествознания. Учебное пособие"

6. Квантовая механика

Вторым, по мнению лорда Кельвина (У. Томсона), недостающим элементом для завершения здания физики на рубеже XIX–XX в. было серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории оно должно быть непрерывным, континуальным. Однако это приводило к парадоксальным выводам вроде того, что общая энергия, излучаемая черным телом при данной температуре, равна бесконечности (формула Релея-Джина). Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу, что вещество не может излучать или поглощать энергию, иначе как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)

E = h × п,

где п – частота излучения;

h – универсальная константа.

Гипотеза М. Планка была использована А. Эйнштейном для объяснения фотоэффекта. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света, или фотона. Он же предложил, что свет в соответствии с формулой М. Планка обладает одновременно волновыми и квантовыми свойствами. В сообществе физиков заговорили о корпускулярно-волновом дуализме, тем более что в 1923 г. было открыто еще одно явление, подтверждающее существование фотонов, – эффект А. Х. Комптона.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все частицы материи, введя представление о волнах материи. Отсюда можно говорить и о волновых свойствах электрона, например о дифракции электрона, которые и были экспериментально установлены. Однако эксперименты Р. Фейнмана с «обстрелом» электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, с одной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает электрон, т. е. точно определить его координату, а с другой стороны – не исказить картины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе.

Этот эксперимент поставил под вопрос само понятие частицы в классическом смысле точной локализации в пространстве и времени.

Объяснение «неклассического» поведения микрочастиц было впервые дано немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Последний сформулировал закон движения микрочастицы, согласно которому знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот, точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. В. Гейзенберг установил соотношение неопределенностей значений координаты и импульса микрочастицы:

Δх × ΔР_x ≥ h,

где Δх – неопределенность в значении координаты;

ΔР_x – неопределенность в значении импульса;

h – постоянная Планка.

Этот закон и соотношение неопределенностей получил название принципа неопределенности В. Гейзенберга.

Анализируя принцип неопределенностей, датский физик Нильс Бор показал, что в зависимости от постановки эксперимента микрочастица обнаруживает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Следовательно, эти две природы микрочастиц взаимно исключают друг друга и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга, а их описание на основе двух классов экспериментальных ситуаций (корпускулярной и волновой) является целостным описанием микрочастицы. Существует не частица «сама по себе», а система «частица – прибор». Эти выводы Н. Бора получили название принципа дополнительности.

Неопределенность и дополнительность оказываются в рамках такого подхода не мерой нашего незнания, а объективными свойствами микрочастиц, микромира в целом. Из этого следует, что статистические, вероятностные законы лежат в глубине физической реальности, а динамические законы однозначной причинно-следственной зависимости – лишь некоторый частный и идеализированный случай выражения статистических закономерностей.

7. Релятивистская квантовая механика

В 1927 г. английский физик Поль Дирак обратил внимание на то, что для описания движения открытых к тому времени микрочастиц (электрона, протона и фотона), т. к. они движутся со скоростями, близкими к скорости света, требуется применение специальной теории относительности. П. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики, и теории относительности А. Эйнштейна. Этому уравнению удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и симметричных им античастицах. Это породило вопрос: пуст ли вакуум? После эйнштейновского «изгнания» эфира он казался несомненно пустым.

Современные, хорошо доказанные представления говорят, что вакуум «пуст» только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Это не противоречит и принципу неопределенности, который имеет также выражение ΔЕ × Δt ≥ h. Вакуум в квантовой теории поля определяется как самое низкое энергетическое состояние квантового поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум – это нечто по имени «ничто».

8. На пути построения единой теории поля

В 1918 г. Эмми Нетером было доказано, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. Из этого следует, что закон сохранения энергии является следствием симметрии, существующих в реальном пространстве-времени.

Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях и выделять во всей совокупности преобразований такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.

В современной физике употребляется понятие калибровочной симметрии. Под калибровкой железнодорожники понимают переход с узкой колеи на широкую. В физике под калибровкой первоначально понималось также изменение уровня или масштаба. В специальной теории относительности законы физики не изменяются относительно переноса или сдвига при калибровке расстояния. В калибровочной симметрии требование инвариантности порождает определенный конкретный вид взаимодействия. Следовательно, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия?» В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Все они имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями, являющимися различными представлениями групп Ли. Это позволяет предположить существование первичного суперсимметричного поля, в котором еще нет различия между типами взаимодействий. Различия, типы взаимодействия являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума. Эволюция Вселенной предстает тогда как синергетический самоорганизующийся процесс: в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. Утверждение самоорганизации систем через самопроизвольное нарушение исходного типа симметрии в точках бифуркации и есть принцип синергии.

Выбор направленности самоорганизации в точках бифуркации, т. е. в точках самопроизвольного нарушения исходной симметрии, не случаен. Он определен как бы присутствующим уже на уровне суперсимметрии вакуума «проектом» человека, т. е. «проектом» существа, спрашивающего о том, почему мир таков. Это антропный принцип, который в физике сформулировал в 1962 г. Д. Дике.

Принципы относительности, неопределенности, дополнительности, симметрии, синергии, антропный принцип, а также утверждение глубинно-основного характера вероятностных причинно-следственных зависимостей по отношению к динамическим, однозначным причинно-следственным зависимостям и составляют категориально-концептуальную структуру современного гештальта, образа физической реальности.

Лекция 5. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро– и мегамиры

1. Материя

Понятие «материя» многозначно. Его используют для обозначения той или иной ткани. Иногда ему придают иронический смысл, говоря о «высокой материи». У всех предметов и явлений, окружающих человека (животных и растений, машин и инструментов, произведений искусства, явлений природы, звездных туманностей и других небесных тел и т. п.), несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т. е. являются материальными. Люди постоянно открывают все новые и новые свойства природных тел, производят множество не существующих в природе вещей, следовательно, материя неисчерпаема.

Материя несотворима и неуничтожима, существует вечно и бесконечно разнообразна по форме своих проявлений. Материальный мир един. Все его части – от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества – так или иначе связаны. То есть все явления в мире обусловлены естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениями и законами природы. В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и противостоящего материи. Человеческая психика и сознание тоже определяются материальными процессами, происходящими в мозгу человека, и являются высшей формой отражения внешнего мира.

2. Структура и системная организация материи. Системная организация как атрибут материи

Системность – характерная черта материальной действительности. Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам. В переводе с греческого система – это целое, составленное из частей, соединение. Системы бывают объективно существующими и теоретическими, или концептуальными, т. е. существующими лишь в сознании человека. Система – это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Она фиксирует преобладание в мире организованности над хаотичными изменениями. Все материальные объекты универсума обладают внутренне упорядоченной, системной организацией. Упорядоченность подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации.

3. Структура материи

Структурность – это внутренняя расчлененность материального бытия. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи, внешняя характерна для искусственных систем, созданных человеком: технических, производственных, концептуальных, информационных и т. п. Истоки идеи структурности универсума относятся к античной философии (атомистике Демокрита, Эпикура, Лукреция Кара).

Понятие структуры материи охватывает макроскопические тела, микроскопические тела, все космические системы. С этой точки зрения понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношении. Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

1) неисчерпаемость объектов и процессов микромира;

2) бесконечность пространства и времени;

3) бесконечность изменений и развития процессов. Эмпирически доступна для человека лишь конечная область материального мира: в масштабах от 10^-15 до 10²⁸, а во времени – до 2 x 10⁹ лет.

4. Структурные уровни организации материи

В современном естествознании эта структурированность материи оформилась в научно обоснованную концепцию системной организации материи. Структурные уровни материи образованы из какого-либо вида и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами. Критериями для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

1) пространственно-временные масштабы;

2) совокупность важнейших свойств и законов изменения;

3) степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи в данной области мира.

Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем от элементарных частиц до Метагалактики. Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями – субординационные.

5. Структурные уровни различных сфер

Объективная действительность состоит их трех основных сфер: неорганической природы, живой природы, общества. Эти уровни схематично представлены в табл. 1.

При классификации неорганического типа материальной системы выделяют элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Из них можно вычленить три структурных уровня:

1) мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики и неограниченные масштабы до 10²⁸см);

2) макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов, т. е. макроскопические тела 10^-6—10⁷см);

3) микромир – мир атомов и элементарных частиц, где неприменим принцип «состоит из» (область порядка 10^-15см).

На разных структурных уровнях материи мы сталкиваемся с особенными проявлениями пространственно-временных отношений, различными видами движения. Микромир описывается законами квантовой механики. В макромире действуют законы классической механики. Мегамир связан с законами теории относительности и релятивистской космологии.

Таблица 1. Структурные уровни материи

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей:

1) в масштабах 10^-13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами;

2) целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы;

3) в космических масштабах – гравитационные силы.

С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Органика как тип материальной системы тоже имеет несколько уровней своей организации:

1) доклеточный уровень включает в себя ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты, белки;

2) клеточный – самостоятельно существующие одноклеточные организмы;

3) многоклеточный – органы и ткани, функциональные системы (нервная, кровеносная), организмы (растения и животные);

4) организм в целом;

5) популяции (биотоп) – сообщества особей одного вида, которые связаны общим генофондом (могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных): стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, кустарник; биоценоз – совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни и существования других организмов, населяющих участок суши или воды. Например, в лесу популяции живущих в нем растений, а также животных, грибов, лишайников и микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему;

6) биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т. п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Общая основа жизни на биологическом уровне – органический метаболизм (обмен веществом, энергией, информацией с окружающей средой), которая проявляется на любом из выделенных подуровней:

1) на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

2) на уровне биоценоза он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

3) на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

В рамках биосферы начинает развиваться особый тип материальной системы, который образован благодаря способности особых популяций живых существ к труду – человеческое общество. Социальная действительность включает в себя подуровни: индивид, семья, группа, коллектив, социальная группа, классы, нации, государство, системы государств, общество в целом. Общество существует лишь благодаря деятельности людей. Структурный уровень социальной действительности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень нации и уровень государства). Переплетение разных уровней структуры общества не означает отсутствия упорядоченности и структурированности общества. В обществе можно выделить фундаментальные структуры – главные сферы общественной жизни: материально-производственную, социальную, политическую, духовную и т. д., имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы, структурированы и обусловливают генетическое единство развития общества в целом. Таким образом, любая из областей объективной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем, т. е. эволюция материальных систем происходит в направлении от простого к сложному, от низшего в высшему.

Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы высшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи. Закономерности новых уровней не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней материи на низшие. Каждый уровень материи обладает своей качественной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы представлены не в «чистом», а в синтезированном («снятом») виде. Например, нельзя перенести законы животного мира на общество, даже если на первый взгляд кажется, что в нем господствует «закон джунглей». Хотя жестокость человека может быть несравненно больше жестокости хищников, тем не менее хищникам незнакомы такие человеческие чувства, как любовь, сострадание.

С другой стороны, безосновательны попытки отыскания на низших уровнях элементов высших уровней. Например, трудно представить себе мыслящий булыжник. Это гипербола. Но были попытки ученых-биологов, в которых они пытались создать обезьянам «человеческие» условия, рассчитывая через 100–200 лет обнаружить в их потомстве антропоида (первобытного человека).

Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и нет частей вне целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому так же, как и целое есть взаимодействие частей. Во взаимодействии части и целого определяющая роль принадлежит целому. Однако это не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой – они сами являются своеобразными целостными структурами, системами. Например, факторами, обеспечивающими целостность систем в неживой природе, являются ядерные, электромагнитные и другие силы, в обществе – производственные отношения, политические, национальные и т. д.

Структурная организация, т. е. системность, является способом существования материи.