Естественнонаучная картина мира

Теория  относительности подтвердила философскую  идею, согласно которой время лишено самостоятельной физической реальности и вместе с пространством является лишь необходимым средством наблюдения и познания окружающего мира разумными существами. 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 кардинально изменяются и приобретают квантовые черты. Как образно написал один из известнейших физиков современности С. Хокинг: “...непрерывный поток времени состоит из ненаблюдаемого истинно дискретного процесса, подобно рассматриваемому издали непрерывному потоку песка в песочных часах, хотя этот поток состоит из дискретных песчинок – река времени дробится здесь на неделимые капли...” (Хокинг, 1990). 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. ”Здесь перед нами вырастает психологический барьер, связанный с тем, что мы не знаем, как воспринимать понятия пространства и времени на этом этапе, когда они еще не существовали в нашем традиционном понимании. У меня при этом появляется такое ощущение, как будто я внезапно попал в густой туман, в котором предметы теряют свои привычные очертания” (Б. Ловелл). О характере законов природы в сингулярности пока только догадываются. 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.

• Поле и вещество, взаимодействие

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 асстояние. 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.

• Взаимопревращения  частиц

Взаимопревращаемость – 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. Подчеркнем, что при столкновениях в действительности происходит не расщепление частиц, а рождение новых частиц; 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. Существует много специфических ”зарядов”, сохранение которых также регулируют взаимопревращения частиц: барионный заряд, четность (пространственная, временная и зарядовая), странность, очарование и др. Некоторые из них не сохраняются при слабых взаимодействиях. Законы сохранения связаны с симметрией, которая, как считают многие физики, является отражением гармонии фундаментальных законов природы. Видимо, не зря еще философы древности рассматривали симметрию как воплощение красоты, гармонии и совершенства. Можно даже сказать, что симметрия в единстве с асимметрией правят миром.

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. Частицы субатомного мира активны не потому, что они очень быстро движутся, но потому, что они – процессы сами по себе. Поэтому говорят, что 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 питает 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. Эти единицы также ритмически колеблются. Все субатомные частицы имеют релятивистскую природу, и их свойства невозможно понять вне их взаимодействий. Все они неразрывно связаны с окружающим их пространством, и не могут рассматриваться в отрыве от него. С одной стороны, частицы оказывают влияние на пространство, с другой – они являются не самостоятельными частицами, а, скорее, сгустками поля, пронизывающими пространство. 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.

• Вероятность в  современной картине  мира

Механическая и электромагнитные картины мира построены на динамических закономерностях. Вероятность там допускается лишь в связи с неполнотой наших знаний, подразумевая, что с ростом знаний и уточнением деталей вероятностные законы уступят место динамическим. 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. Господство вероятности в современной картине мира подчеркивает ее диалектичность, а стохастичность и неопределенность являются важными атрибутами современного рационализма.

• Физический вакуум

Фундаментальные бозоны представляют возбуждения силовых  полей. Когда все поля находятся в основном (невозбужденном) состоянии, то говорят, что это и есть физический вакуум.

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.

Виртуальная частица существует столь малое  время ∆t, что определяемая соотношением неопределенностей энергия ∆E =~/∆t оказывается достаточной для ”рождения” массы, равной массе виртуальной частицы. Эти 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 ненаблюдаемы до тех пор, пока на них определенным образом не подействовать. Когда же они сталкиваются с реальными частицами, имеющие 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. Обычный фотон движется ”в сопровождении” виртуальных электрон-позитронных пар. Рассеяние электрона на электроне можно рассматривать как обмен виртуальными фотонами. Точно так же каждый нуклон окружен облаками мезонов, которые существуют очень недолго. При некоторых обстоятельствах виртуальные мезоны могут превратиться в реальные нуклоны. Виртуальные частицы спонтанно возникают из пустоты и снова в ней растворяются, даже если поблизости нет других частиц, которые могут участвовать в сильных взаимодействиях. Это также свидетельствует о неразрывном единстве вещества и пустого пространства. Вакуум содержит бесчисленное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц. Связь между виртуальными частицами и вакуумом имеет динамическую природу; образно говоря, вакуум есть ”живая пустота” в полном смысле этого слова, в его пульсациях берут начало бесконечные ритмы рождений и разрушений.