Лекции по "Концепция современного естествознания"

С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей (А. Беккерель, супруги Кюри,). На этой основе появились различные модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира (Э. Резерфорд, Н. Бор). Дж. Томсон в 1897 г. открывает электрон и измеряет величину его электрического заряда и массу. А в 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, т.е. квантами, позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапазоне.

В начале XX в. возникли два несовместимых представления о материи:

ü или она абсолютно непрерывна;

ü или состоит из дискретных частиц (квантов).

Физики предпринимали многочисленные попытки совместить две эти точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. И хотя такое предположение казалось странным и непонятным, именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность), и дискретность (квантованность). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга 1925 -1927 гг., создателей нового направления физики – квантовой механики. Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. К началу 30–х г.г. ХХ столетия было установлено, что вещество слагается из элементарных частиц, фундаментальными являются протоны, нейтроны и электроны. В 1932 году в составе космических лучей был открыт позитрон с такой же массой, как у электрона, но с противоположным (положительным) зарядом. К концу 90–х годов число открытых частиц и античастиц приближается к 400. Многие из них не имеют прямого отношения к строению материи, их относят к т.н. «лишним» частицам. Ученые полагают, что они возникли на первых этапах становления и образования Вселенной, когда еще не происходило образование ядер атомов, и существуют до сих пор. Все элементарные частицы обладают микроскопическими массами и размерами, сравнимыми с длинами волн де Бройля, поэтому их поведение описывается квантово-волновыми характеристиками. Элементарная частица – это квант поля, т.е. плоская либо сферическая  единичная волна. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным  объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Классическая физика, вырабатывая целостный  взгляд на материальность мира, утверждала, что материя представлена в двух состояниях: вещество и поле. В настоящее время все еще приходится сталкиваться с принципиальной неточностью терминологического плана: понятие “вещество” отождествляют с понятием “материя”. Такая неточность ведет к серьезным ошибочным заключениям. Материя - понятие самое общее, в то время как вещество- это лишь одна из форм ее существования. Современные научные знания позволяют сделать заключение, что в известном нам мире материя реализуется в тесно взаимосвязанных формах: вещество, поле и физический вакуум.Вещество состоит из дискретных частиц, проявляющих волновые свойства (вещественно–полевой континуум). Природа физического вакуума, его строение пока познаны намного хуже вещества. По современному определению, вакуум - это нулевые флуктуирующие (колеблющиеся, отклоняющиеся от нормали) поля, с которыми связаны виртуальные частицы. Здесь проявляется дуализм волновых и корпускулярных свойств. Вакуум обнаруживается во взаимодействиях с веществом на его глубинных уровнях. Вакуум и вещество неразделимы и ни одна вещественная частица не может быть изолирована от его присутствия и его влияния.

Новизна современной  физической картины мира состоит в следующем:

ü показана глубокая диалектичность природы, невозможность свести материю к прерывному либо к непрерывному, к вещественному либо невещественному, т.к. материя прерывна и непрерывна, и вещественна и невещественна, и качественна и количественна одновременно.

ü Значительно расширяется понимание движения, которое включает универсальные типы физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: 1.Гравитационное; 2.Электромагнитное; 3.Ядерное сильное; 4.Ядерное слабое. Они  описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (примерно 300 000 км/с).

ü Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от характера движения материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

ü Важным является тезис о равенстве весовой (тяжелой) и инертной масс. Отсюда следует вывод об эквивалентности массы и энергии: энергия обладает массой, а масса превращается в энергию – (Е=mc2)

ü Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей.

ü Квантово-полевая картина мира впервые включает в себя наблюдателя, от присутствия которого зависит получаемая картина мира. Более того, сегодня считается, что наш мир таков по своей природе, что появление и существование человека в нем стало  закономерным результатом эволюции Вселенной.

Квантово-полевая (квантово-релятивистская) картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления, и с каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории. В конце 60–х годов выдвинута идея кварков, как гипотетических проточастиц, из которых формируются элементарные частицы (Г. Цвейг, М. Гелл-Ман). Заветная мечта всех физиков - выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называютсуперобъединением или теорией супервзаимодействия. Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пионерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях. 

 ЛЕКЦИЯ 3. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ. СТО. ОТО. 

Исторически сложились два основных подхода к пониманию пространства и времени. Первый подход — субстанциональный. Пространство и время понимаются в данном случае как нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее «вместилища». При этом пространство — это «чистая протяженность», а время— «чистая длительность». Такой позиции придерживался Демокрит, однако свое всестороннее развитие эта концепция получила у Ньютона и в классической механике в целом.              Второй подход — реляционная концепция пространства и времени. Ее развивали Аристотель, Лейбниц и другие. Согласно этому подходу, пространство и время — не особые субстанциональные сущности, а формы существования материальных объектов: пространство выражает сосуществование объектов, а время — последовательность их состояний. Реляционный подход был воспринят релятивистской физикой, в которой пространство и время стали пониматься как общие формы координации материальных объектов и их состояний (пространство — совокупность отношений, выражающих координацию сосуществования объектов, их расположение друг относительно друга, а время — совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний, их последовательность и длительность). В классической механике для описания механического движения необходимо выявление координат движущегося тела, что требует введения понятия «система отсчета». Существуют физические различные типы систем отсчета: инерциальные системы (движущиеся равномерно, прямолинейно относительно друг друга) и неинерциальные (движущиеся с ускорением). Принцип относительности Галилея утверждает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета: состояние равномерного, прямолинейного движения никак не сказывается на происходящих в системе механических процессах и никакими механическими экспериментами, проводимыми внутри системы, нельзя определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

Но существуют ли инерциальные системы в действительности? Поиски ответа на этот вопрос и привели к понятию абсолютного пространства, которое представлялось неподвижным.

Кроме того, пространственные и временные координаты входят в уравнения классической механики неравноправным образом: временная координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными координатами, т.е. время мыслится как существующее независимо от пространства. Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и двумя событиями во времени (промежуток), которые также имеют в классической механике абсолютный характер. Итак, время и пространство в классической механике независимы друг от друга и вообще от любых свойств материальных объектов.

В середине XIX века были проведены опыты по измерению скорости света с (с ≈ 3.108 м/с). Сразу стал вопрос: скорость света по отношению к чему? Большинство физиков предположили, что к эфиру, который неподвижен и является прообразом абсолютного пространства. Найдя разность между скоростью света в эфире и скоростью света в данной системе отсчета, можно было бы определить скорость движения этой системы относительно эфира. Эта идея легла в основу опыта Майкельсона—Морли. Однако опыт дал отрицательный результат.

Принципиально новый подход к пониманию пространства и времени был предложен Эйнштейном, который создал специальную теорию относительности (СТО) и общую теорию относительности (ОТО).

Основу СТО составили два постулата:

• принцип относительности Эйнштейна, обобщающий принцип относительности Галилея на любые физические явления: все физические процессы (при одних и тех же условиях) в инерциальных системах отсчета протекают одинаково; все инерциальные системы отсчета равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета;

• принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света.

Данные постулаты противоречили представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона. Эйнштейн предположил, что время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, что промежуток времени между двумя какими-либо событиями относителен и будет зависеть от выбора системы отсчета. События, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, будут не одновременными в других системах. Линейные размеры тела также зависят от скорости движения. Время и пространство в СТО оказались взаимосвязанными, образуя четырехмерный пространственно-временной континуум.  Математическая интерпретация СТО нашла выражение в преобразованиях Лоренца.

В СТО длина и промежуток времени утрачивают свой абсолютный характер. Но одновременно с этим возникает вопрос о природе релятивистских эффектов. Их объяснение было представлено в разных концепциях: динамической (предложенной Лоренцем и Фицджеральдом), согласно которой тела при движении действительно сокращаются, что вызвано динамическими причинами, силовыми воздействиями на них; субъективистской, признающей зависимость длины и временного промежутка от субъекта наблюдения, и, наконец, релятивистской. Суть последней концепции состоит в том, что она исходит из признания релятивистских эффектов как реальных, но относительных эффектов. Длина не есть характеристика тела самого по себе, а выражает отношение тела к определенной системе отсчета и имеет смысл лишь в связи с ней. Аналогично дело обстоит и с временным промежутком. Данная зависимость становится заметной лишь при скоростях, сопоставимых со скоростью света.

В СТО исчезли прежние абсолютные величины классической физики (длина и временной промежуток); они стали относительными. Зато появились новые абсолюты: скорость света и единый пространственно-временной континуум.

• Из СТО вытекает ряд следствий:

• закон сложения скоростей: при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;

• зависимость массы тела от скорости его движения;

• взаимосвязь массы и энергии, выраженная в формуле E = mc2.

В 1916 году была опубликована общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) или теориятяготения. Эйнштейн обобщил СТО на ускоренные системы, ограничил применимость постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь, расширил принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ОТО он исходил из эквивалентности гравитационных и инерционных масс, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Принцип эквивалентности носит локальный характер и справедлив лишь в бесконечно малых областях пространства-времени. Однако это не помешало Эйнштейну сформулировать общий принцип относительности, утверждающий ковариантность законов природы в любых системах отсчета.

Все это потребовало иной, более общей формулировки законов физики, а также изменения представлений о геометрии пространства.

Долгое время в науке господствующей выступала геометрия, чьи постулаты были сформулированы Евклидом. Он выдвинул аксиомы геометрии для пространства с нулевой кривизной, в которой сумма углов треугольника равна 180°. Евклидова геометрия реализуется на плоскости.

Однако затем были предложены другие геометрии. Так, Б. Риман представил пространство с положительной кривизной (сумма углов треугольника больше 180°) в виде сферы.

Н. Лобачевский и Я. Бойаи представили геометрию с отрицательной кривизной (сумма углов треугольника меньше 180°) в виде псевдосферы. Лобачевский и Риман считали, что разрешить вопрос о том, какова действительная геометрия нашего мира, могут лишь физические эксперименты. Эйнштейн в ОТО придал физический смысл неевклидовой геометрии. Под действием гравитационных полей метрика пространства становится неевклидовой. Эйнштейн подтвердил идеи римановой геометрии. Он связал геометрию и тяготение воедино. Метрические характеристики реального мира зависят от гравитационных полей. Луч света, обладающий энергией, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения (впоследствии данный теоретический вывод Эйнштейна нашел экспериментальное подтверждение). Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной.