Текст книги "Концепции современного естествознания"

Однако есть и другая точка зрения. Академик Российской академии наук A.A. Логунов (р. 1926) утверждает, что никакого искривления пространства – времени нет, а происходит искривление траектории движения объектов, обусловленное изменением гравитационного поля. По его мнению, наблюдаемое красное смещение в спектре излучения отдаленных галактик можно объяснить не расширением Вселенной, а переходом посылаемого ими излучения от среды с сильным гравитационным полем в среду со слабым гравитационным полем, в котором находится наблюдатель на Земле.

Строение материи интересует естествоиспытателей еще с античных времен. Так, в Древней Греции обсуждались две гипотезы строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий мыслитель Аристотель (384–322 до н. э.). Она заключается в том, что вещество делится на более мелкие частицы и нет предела его делимости. По существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипотеза выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н. э.) и развита его учеником Демокритом, а затем его последователем философом-материалистом Эпикуром (341–270 до н. э.). В ней предполагается, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов. Это и есть концепция атомизма – концепция дискретного квантового строения материи.

По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Атомы – неделимые, вечные, неразрушимые элементы материи.

Реальность существования атомов вплоть до конца XIX в. подвергалась сомнению. В то время объяснения многих химических реакций не нуждались в понятии атома. Для них, как и для количественного описания движения частиц, вводилось другое понятие – молекула. Существование молекул экспериментально доказал французский физик Ж. Перрен (1870–1942) при наблюдении броуновского движения. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле – от двух (H₂, O₂, HF, KCl и др.) до сотен, тысяч и миллионов (витамины, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты).

Неделимость атома как составной части молекулы долгое время не вызывала сомнений. Однако к началу XX в. физические опыты показали, что атомы состоят из более мелких частиц. Так, в 1897 г. английский физик Д. Томсон (1856–1940) открыл электрон – составную часть атома. В следующем году он определил отношение его заряда к массе, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.Атомы химических элементов по сравнению с наблюдаемыми телами очень малы: их размер – от 10^-10до 10^-9м, а масса – 10^-27– 10-25кг. Они имеют сложную структуру и состоят из ядер и электронов. В результате дальнейших исследований выяснилось, что и ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, т. е. имеют дискретное строение. Это означает, что концепция атомизма для ядер характеризует структуру материи на ее нуклонном уровне.

В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и другие виды материи – физическое поле и физический вакуум – имеют дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющуюся пространственно-временную среду с ячейками размером 10^-35м и временем 10-43с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и т. п., считая пространство и время непрерывными.

Основной вид материи – вещество, находящееся в твердом и жидком состояниях, – воспринимается обычно как непрерывная, сплошная среда. Для анализа и описания свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако то же вещество при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнитного излучения и т. п. рассматривается как дискретная среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Дискретность и непрерывность присущи и другому виду материи – физическому полю. Гравитационное, электрическое, магнитное и другие поля при решении многих физических задач принято считать непрерывными. Однако в квантовой теории поля предполагается, что физические поля дискретны.

Для одних и тех же видов материи характерна и непрерывность, и дискретность. Для классического описания природных явлений и свойств материальных объектов достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов – ее дискретные свойства. Непрерывность и дискретность – неотъемлемые свойства материи.

Виды фундаментальных взаимодействий. Огромное разнообразие природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т. е. их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому оно, как и движение, универсально, т. е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от природы их происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом – основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция – концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами – квантами поля.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m₁ и m₂, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:

где G – гравитационная постоянная.

Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловливается электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение и упругость определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение преобразования и применение электрического и магнитного полей, а также электрического тока служат основой для создания разнообразных современных технических средств: электроприборов, радиоприемников, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов, компьютеров и т. д.

Согласно кантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредством которого отражается основная доля (около 90 %) информации об окружающем мире, представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно 0,4–0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем оно стабильнее, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, его размера удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета– распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т. д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов. Вионы обнаружены в 1983 г.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Из табл. 3.1 видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других фундаментальных взаимодействий. Радиус действия его неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является доминирующим для материальных объектов с большими массами (планет, звезд, галактик и т. п.). Электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, хотя его радиус действия также неограничен. Для сильного и слабого взаимодействий характерно короткодействие. Сильное взаимодействие проявляется только в пределах размеров ядра (10^-15м), а слабое – на гораздо меньшем расстоянии – 10^-18м.

В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов – около 100 ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ) – слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Такое объединение двух фундаментальных взаимодействий – электромагнитного и слабого – было теоретически предсказано в 60–70-х гг. XX в. американскими физиками С. Вайнбергом (1933–1996) и Ш. Глэшоу (р. 1932) и пакистанским физиком А. Саламом (р. 1926 г.), удостоенными Нобелевской премии по физике 1979 г. Существенный вклад в развитие теории электрослабого взаимодействия внесли нидерландские ученые Г. Хуфти М. Вельтман, лауреаты Нобелевской премии по физике 1999 г.

Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей не только электромагнитное и слабое, но и сильное, и гравитационное взаимодействия. Решение такой довольно сложной задачи потребует синтеза естественно-научных знаний о материальных объектах разных масштабов – от элементарных частиц до Вселенной. Единая теория фундаментальных взаимодействий обеспечит концептуальное обобщение знаний об окружающем мире.

Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц (до 10¹⁹ ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т. е. представляют собой одно взаимодействие, определяемое «суперсилой». Возможно, такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении Вселенной и быстром охлаждении образовавшегося вещества единое взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающиеся друг от друга взаимодействия, определившие структурную организацию материи.

Структурная организация материи. Важнейшее свойство материи – ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц.

С биологической точки зрения самая крупная живая система – биосфера – состоит из биоценозов, содержащих множество популяций живых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные особи, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные части.

В современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звезд, галактик и Вселенной.

Материальные системы микро-, макро– и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Пространственные масштабы и размеры (в местах с точностью до одного порядка чисел) некоторых материальных объектов представлены ниже.

Радиус космологического горизонта или наблюдаемой Вселенной …10²⁶

Диаметр нашей Галактики …10²¹

Расстояние от Земли до Солнца …10¹¹

Диаметр Солнца …10⁹

Размеры человека …10⁰

Длина волны видимого света …₁₀^-6– 10^-7

Размер вирусов …₁₀^-6– 10^-8

Диаметр атома водорода …10^-10

Диаметр атомного ядра …10^-15

Минимальное расстояние, доступное современным средствам измерений …10^-18

Отношение самого большого размера к самому малому, составляющее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопления естественно-научных знаний об окружающем мире. «Мир наш – только школа, где мы учимся познавать», – справедливо заметил французский философ М. Монтень (1533–1592).

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только своими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, один моль любого вещества (характерное количество вещества для макрообъектов, составляющее, например, для воды 18 г) содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоянной Авогадро и примерно равное 6·10²³ моль^-1. Солнце состоит из колоссального числа частиц: 8·10⁵⁶ ядер атомов водорода и 9·10⁵⁵ ядер атомов гелия.

Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро– и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статистической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро– и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.

Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаимодействие.

Существенное различие между материальными объектами микро– и макромира заключается в тождественности макрочастиц и индивидуальности макросистем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механи-ческий принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако в природе не существует двух совершенно одинаковых макросистем – все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диметилового эфира имеют одинаковые атомный состав и молекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Изомерия обнаруживается и для атомных ядер. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.

Фундаментальные физические законы описывают вполне определенные объекты вне зависимости от того, где они находятся. Например, с помощью законов сохранения энергии и импульса можно описать не только движение тел на Земле, но и взаимодействие элементарных частиц, и движение планет, звезд и т. п. Атомы везде одинаковы – на Земле и в космическом пространстве. Все это означает, что фундаментальные законы универсальны – они применимы к объектам всего мира, доступным нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов. Универсальность фундаментальных законов подтверждается экспериментальными результатами многочисленных исследований различных свойств материальных объектов микро-, макро– и мегамира и свидетельствует о материальном единстве природы и Вселенной в целом.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной. Такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью.

Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета с началом координат в центре Солнца. Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, так как Земля вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца. Однако поправки, обусловленные неинерциальностью такой системы, пренебрежимо малы и не учитываются при решении многих задач. Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то такие системы инерциальные.

Для инерциальных систем выполняется механический принцип относительности – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму.

Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Никакими механическими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

Французский физик и математик А. Пуанкаре (1854–1912) распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн (1879–1955) использовал его для специальной теории относительности, постулаты которой он предложил в 1905 г.

В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с фундаментальными законами сохранения. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. В специальной теории относительности постулируется инвариантность законов природы и скорости света в вакууме. Законы природы и скорость света не изменяются в результате преобразований координат и времени, предложенных нидерландским физиком X. Лоренцом (1853–1928) в 1904 г. (еще до появления специальной теории относительности), – преобразований, при которых уравнения Максвелла остаются инвариантными.

Специальная теория относительности включает два постулата:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Специальная теория относительности выходит за рамки привычных классических представлений о пространстве и времени, которые носят не абсолютный, а относительный характер. Из специальной теории относительности следуют необычные пространственно-временные – свойства: относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, – результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства – времени зависят от поля тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства – времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяготения пространство – время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, которая определяет, например, движение планет Солнечной системы. Однако в сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространства – времени становится существенным. Если подобного рода объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. Аналогично тому, как электромагнитная волна с квантово– механической точки зрения представляет собой поток фотонов, квантование гравитационной волны соответствует гравитону – частице с нулевой массой покоя. Ни гравитационные волны, ни гравитоны экспериментально не обнаружены. Прием гравитационных волн и обнаружение гравитонов – одно из направлений фундаментальных естественно-научных исследований гравитационно-волновой астрономии.