Geum.ru

"законами" движения материи "от простого к сложному", в истмате теория

Вид материалаЗакон
Подобный материал:
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   51

Замечу, что на почве классической физики такие спекуляции в принципе просто не могли бы возникнуть, т.к. в рамках классической физики значения фундаментальных констант действительно можно выбрать совершенно произвольно, – это никак не повлияет на физическую картину мира, это повлияет только на расчетные значения физических величин и будет означать просто переход к другой системе единиц измерения. Если длину мерить в дюймах, то гравитационная постоянная будет, очевидно, иметь другое значение, чем при измерении длины в метрах. Но можно проделать и обратное – задать произвольное значение гравитационной постоянной и из этого получить новую единицу измерения длины. Ничего в Природе от этого не изменится. В рамках релятивистской и квантовой физики ситуация принципиально иная: т.к. в рамках этих представлений физические константы сами по себе несут физический смысл, изменение одной из них, при сохранении других неизменными, радикально меняет физическую картину вселенной. И хотя конкретные значения каждой из этих констант так же, разумеется, зависят от системы единиц, их безразмерные отношения не меняются при смены системы единиц и являются просто уникальными абсолютными цифрами, якобы характеризующими параметры физического мира в котором мы живем. Я говорю “якобы”, потому что на самом деле эти цифры суть не что иное, как метафизические границы применимости тех физических теорий, в которых они фигурируют, и на самом деле характеризуют не столько Природу как таковую, сколько ограниченность наших собственных представлений о ней, которые мы имеем на сегодняшний день! Но такая точка зрения на эти цифры, как это не странно на первый взгляд, не фигурирует ни в одной из публикаций, посвященной вопросу безразмерных отношений фундаментальных констант. Ну глупо, повторяю еще раз, глупо ограничивать Природу собственной ограниченностью! Я уже назвал эту практику умственным волюнтаризмом и повторяю еще раз: именно эта практика и тормозит развитие теоретической физики сегодняшнего дня.

Второе направление более интересно чем “физическое богословие” и, возможно, будет продуктивно в своем развитии при правильной постановке задачи. Его можно было бы назвать “неопифагорейством”. Я употребляю этот термин не в ироническом смысле, как могут подумать материалисты, а в самом прямом. Это название наиболее полно отражает суть этого направления, которая заключается в том, что изучающие эти цифры исследователи путем составления рядов из них и их различных комбинаций пытаются обнаружить некую чисто численную закономерность, своеобразный информационный код вселенной, в которой мы живем. Направление это является по сути дела первой за все время существования науки попыткой рассматривать космическую эволюцию как процесс генезиса, как развитие свойств пространства, времени и материи, подобно тому, как генетика рассматривает развитие белковых организмов в соответствии в заложенным в них генетическим кодом. Это направление совершенно новое и тесно примыкает как к кибернетике, так и к фрактальной физике. Тогда вопросы типа “а что было бы, если бы постоянная Планка имела бы другое значение” действительно становятся актуальными, т.к. по сути дела они аналогичны вопросам: “а что если в ДНК заменить один ген другим”. Разумеется, в этом направлении тут же возникли представления о множественности миров, параллельных вселенных с разными физическими характеристиками, и прочая богатая почва для процветания научной и ненаучной фантастики. Сюда же примкнула целая куча псевдонаучных и наукообразных философий и откровенных демагогий, претендующих на какое-то приближение к истине. Впрочем, в этом нет ничего плохого, кроме того, что все это только дискредитирует в глазах рационально-мыслящих людей это, по-видимому, плодотворное направление, направленное на синтез физики и информатики, в результате которого, вполне возможно, наконец-то возникнет физическая картина эволюционного процесса, который до сих пор является предметом рассмотрения наук, которые при всем моем уважении к ним, я не могу назвать точными. При такой постановке задачи не просто констатируется факт наличия этих цифр, – они рассматриваются не сами по себе, а как результат проявления нового закона Природы, можно сказать – закона, связывающего законы. Тогда существующие открытые на сегодняшний день законы можно рассматривать как функционалы от значений безразмерных соотношений физических констант, а сами эти цифры – как переменные новых, неизвестных на сегодняшний день законов, к открытию которых наука подходит как бы “с другой стороны” – не со стороны фактов и наблюдений, а исходя из концепции вселенского единства Природы, т.е. со стороны метафизической. Но если на практике такой подход будет оправдан, этот путь “от философии” не должен смущать ученых. В конце концов, кредо Ньютона “физика, берегись метафизики!”, это всего лишь кредо, а не нерушимая заповедь, которая должна выполняться слепо и без рассуждений.

Возвращаясь к основной теме своей работы и продолжая завершение рассмотрения (замысловато сказано!) “ньютоновской пустоты”, следует отметить еще один факт, напрямую никак с классической механикой не связанный и никак из нее не следующий, но тематически примыкающей к предыдущему лирическому отступлению, – факт, установленный в термодинамике, согласно которому любая замкнутая система, в которой составляющие ее частицы слабо взаимодействуют друг с другом, стремится к максимально неупорядоченному состоянию. Этот факт составляет суть второго закона термодинамики. Для таких систем можно ввести понятие энтропии, – функции термодинамического состояния, которая характеризует степень неупорядоченности термодинамической системы. Энтропия замкнутой системы, согласно второму закону термодинамики, всегда увеличивается со временем. Второй закон термодинамики является единственным фундаментальным законом классической физики, нарушающим ее Т-инвариантность. Он анизотропен по отношению к ходу времени. Все законы классической физики, описывающие процессы в которых нарушается Т-инвариантность, описывают процессы, связанные с ростом энтропии. Наиболее наглядными примерами таких процессов являются процессы диффузии, теплопроводности и теплового рассеяния кинетической энергии движения тела (как целого) при трении. Если капнуть чернила в стакан воды, они растворятся в нем и равномерно заполнят его с течением времени. Это естественный прямой процесс. Обратного процесса, при котором самопроизвольно все чернила в стакане воды снова собрались бы в каплю, в естественных условиях не наблюдается, хотя он вполне возможен в рамках законов классической механики, если исключить из них закон роста энтропии. Процессы, подобные процессу растворения чернил в стакане, называют необратимыми; все они сопровождаются ростом энтропии.

Иногда из второго закона термодинамики делается необоснованное предположение о “тепловой смерти” вселенной, согласно которому с течением времени все, что в ней существует, придет в состояние полного термодинамически равновесного хаоса. Из этого, как следствие, выводят предположение о том, что когда-то в прошлом вселенная имела рождение (раз уж ей суждено умереть самими ее законами), которое в свою очередь объясняют метафизическими причинами. Вполне возможно, что вселенная действительно имела когда-то в прошлом временное начало (хотя это и противоречит концепции отсутствия выделенных инерциальных систем отсчета, устанавливая абсолютный момент отсчета времени), но если это так и есть, то это никак не следует из второго закона термодинамики. Предположение о “тепловой смерти” вселенной необоснованно, потому что для вселенной в целом в принципе невозможно ввести понятие энтропии так, как это делается в статистической физике, ибо невозможно пренебречь гравитационным взаимодействием ее удаленных частей. Так как гравитационное взаимодействие является дальнодействующим и неэкранируемым, приближение слабого взаимодействия для гравитации не работает во вселенских масштабах и вселенная в целом не удовлетворяет аксиомам равновесной термодинамики, в рамках которых имеет смысл закон возрастания энтропии, и не может в целом рассматриваться как тепловая машина. Тем более актуальна возможность рассмотрения эволюции вселенной в рамках “генетической” модели, к которой подводит системный анализ безразмерных соотношений фундаментальных констант.

2. Закончив с “ньютоновской пустотой”, перейдем к “максвелловской”. Максвелловская пустота – это электрически- и магнитно-изотропный вакуум, в котором распространяется электромагнитное поле. Само по себе электромагнитное поле принято (по привычке) считать формой существования материи, как, впрочем, и сами пространство и время. Если вы откроете физическую энциклопедию на соответствующей статье, вы узнаете, что пространство и время так же являются формами существования материи. Но и то, и другое утверждение являются, по сути своей, пустым звуком. Правильно было бы утверждать, что пространство и время является формой, в которой существует материя, а не формой существования материи. Точно так же и электромагнитную волну следовало бы считать формой движения эфира, в котором распространяются электромагнитные колебания, а не “вещью в себе”, как она представляется в классическом электромагнетизме. Не стану здесь еще раз критиковать классический плевой подход, а перейду к рассмотрению проблем “максвелловской пустоты”.

Во-первых, проблема устойчивости электрически заряженной частицы конечных размеров. Проблема заключается в том, что силы электростатического отталкивания должны разорвать на части заряженную частицу конечных размеров, если внутри нее не существует каких-то иных гипотетических сил, которые удерживают в ней заряд, стабилизируя ее. Опыты по рассеянию электронов указывают на то, что его характерный размер конечен. Когда мы рассматриваем электрон, объяснить эти силы с точки зрения теории тяготения невозможно, поскольку гравитация намного слабее электромагнетизма, если только электрон не является маленькой “черной дырой”. Но установленный экспериментально характерный размер электрона существенно больше гравитационного радиуса, соответствующего его массе, так что электрон далек от состояния “черной дыры”. В настоящее время стабильность протона и других адронов физика объясняет в рамках кварковой гипотезы; факт стабильности электрона никак не объяснен до сих пор, и за неимением объяснения этого факта электрон считают “истинно элементарной” (неделимой) частицей. Такой подход до недавнего времени был оправдан тем, что все заряды, обнаруженные в природе, оказывались по величине кратными заряду электрона, и считалось, что раз уж современная физика носит квантовый характер, вполне естественно, что и величина электрического заряда в природе так же квантована, поэтому электрон так же невозможно поделить на части, как и заставить его существовать в атоме на энергетическом уровне, не предусмотренном правилами квантования. Но совсем недавно, в самом конце ХХ века (не помню точно, к сожалению, когда именно), американские ученые обнаружили, что резонансы (короткоживущие частицы, появляющиеся как промежуточные продукты высокоэнергетичных ядерных процессов), могут иметь дробный (на единицу заряда электрона) электрический заряд, так что проблема заряда электрона снова стала актуальной как в рамках классической, так и в рамках квантовой электродинамики.

Во-вторых, проблема “самодействия” электрического заряда. При электродинамических расчетах характеристики поля рассчитываются в зависимости от положения и движения источников поля – заряженных частиц, и далее рассматривается воздействие поля на приемники поля – заряженные частицы, попадающие в него. Но поскольку заряженные частицы являются одновременно как источниками, так и приемниками поля, возникает вопрос: как поле источника действует на сам создающей его источник? Если мы полагаем, что поле действует на все заряженные частицы, попадающие в него, мы должны рассматривать и его действие на сам источник поля, который изначально в нем уже находится. Но если мы допускаем, что такое действие возможно, мы тут же выходим за рамки линейной модели взаимодействия, что противоречит принципу суперпозиции электромагнетизма (см. комментарий [10]).

Этот парадокс неразрешим не только в классической, но и в квантовой электродинамике. Уравнения квантовой электродинамики могут быть решены только в пределе теории малых возмущений, т.е. для относительно слабых полей, для которых справедлив электромагнитный принцип суперпозиции. Проблема “самодействия” заряда составляет один из неразрешимых парадоксов как классической, так и квантовой электродинамики, т.к. является, по сути дела, противоречием, заложенном в самом аксиоматическом основании обеих теорий. И принцип суперпозиции, и качественное “равенство всех зарядов перед лицом электромагнитного взаимодействия”, являются изначальными, и при этом – взаимно исключающими друг друга допущениями, лежащими в основании обеих теорий.

В-третьих, проблема бесконечной массы точечной заряженной частицы. Если для того, чтобы избежать проблемы устойчивости заряженной частицы (см. “Во-первых” несколько выше по тексту) мы предположим, что заряженная частица является точечной (только в этом случае о ней можно говорить как о неделимой в классическом, а не в квантовом понимании) то напряженность электрического поля в окрестностях этой частицы согласно Закону Кулона становится бесконечной, что влечет за собой бесконечность энергии поля в окрестностях частицы и, согласно релятивистской формуле Эйнштейна (Е=тс2), бесконечность массы частицы с ее окрестностью, что не наблюдается в опыте, т.к. масса элементарных частиц, в частности электрона, не только конечна, но и очень мала.

В рамках квантовой механики и КЭД электрон так же рассматривается как точечная частица, но чисто формально в рамках квантовой физики этот парадокс можно обойти, оперируя объемной плотностью массы, рассчитанной через квадрат модуля волновой функции электрона, и полагая, что электрон, обладающий согласно принципу квантово-волнового дуализма, волновыми свойствами, как бы “размазан” по всему пространству вместе со всей своей массой; иными словами, его масса не сосредоточена в одной точке, хотя электрон локализуется в точке в момент взаимодействия с другой частицей. Точно так же можно и вместо заряда электрона оперировать объемной плотностью заряда, считая, что его заряд так же не сосредоточен в одной точке, но это не убирает проблему удержания заряда, которая в этом случае переходит в проблему устойчивости волновой функции свободного электрона. Свободный электрон, согласно принципу относительности (как классическому, так и релятивистскому), сохраняет состояние своего движения, что в рамках квантовой механики означает сохранение волновой функции электрона неизменной во времени. Но если мы отождествляем квадрат модуля волновой функции с плотностью электрического заряда, этот заряд должен необратимо разлетаться в пространстве, что приводило бы к изменению волновой функции во времени.

В-четвертых, проблема, получившая историческое название “ультрафиолетовая катастрофа”, действительно ставшая катастрофой для классической электродинамики. Проблема вот в чем: если спектр теплового излучения абсолютно-черного тела (тела, поглощающего и переизлучающего 100% падающего на него излучения на всех длинах волн) рассчитывать в согласии с положениями классической теории электромагнетизма, оказывается, что энергия всего теплового излучения становится бесконечной величиной. В рамках корпускулярной модели света, в которой свет рассматривается как статистический ансамбль частиц, этого парадокса можно избежать, что и породило квантовую гипотезу (см. комментарий [7]), полностью разрушившую классические представления об электромагнитном поле, которые, как должно уже стать ясным читателю при ознакомлении с предыдущим материалом, были не слишком-то жизнеспособными.

В-пятых (и в-последних), проблема устойчивости атомов и дискретности атомных спектров. Проблема заключается в том, что если мы принимаем в качестве физической модели атома некий аналог Солнечной Системы, в которой роль Солнца играет положительно заряженное ядро, а роль планет, вращающихся вокруг него, играют электроны, то, согласно законам классической электродинамики, электроны, вращаясь вокруг ядра, должны непрерывно излучать свет и терять энергию вращения, которая со временем должна полностью перейти в световую, а сами электроны в конце концов должны упасть на ядро атома. Но ни непрерывного излучения атомов, ни “осыпания” электронов на ядра в опыте не наблюдается. Атомы стабильны и излучают не непрерывно, а дискретно, причем только свет определенных длин волн. Эти свойства атомов нашли объяснения в рамках квантовой физики, точнее, эти свойства получаются в рамках квантовой физики как следствие ее основных постулатов.

Закончив с “максвелловской пустотой”, перейдем к “эйнштейновской пустоте” или т.н. пространственно-временному континууму ОТО.

3. Итак, “эйнштейновская пустота”… Как уже говорилось выше, она родилась из “максвелловской пустоты”, и уже в силу этого унаследовала некоторые ее проблемы. Эта пустота искривленная – в дополнение к пустотным характеристикам классического электромагнетизма добавился метрический тензор кривизны пространства-времени. В рамках ОТО инвариантность скорости света относительно инерциальной системы отсчета и равенство инертной и гравитационной масс принято a priori, как основные положения теории, в доказательствах не нуждающиеся, что и повлекло за собой необходимость пересмотра традиционных представлений о пространстве и времени.

К безусловным достоинствам теорий Эйнштейна следует отнести тот факт, что впервые в истории физики явно была указана связь между пространством, временем и движением. “Уберите движущуюся материю, и Вы уберете пространство и время; эти понятия просто станут бессмысленными, т.к. у Вас не будет средств их измерения” – главный философский тезис, лежащий в основании релятивистской физики. Пространство-время ОТО можно рассматривать именно как физическое пространство-время, а не как математическую геометрическую абстракцию, т.к. оно непосредственно связано с характеристиками движения системы отсчета. Еще одним достоинством ОТО является то, что оно расширило класс “равноправных” систем отсчета, включив в него все равноускоренные системы. В рамках ОТО так же не возникает гравитационных аналогов парадокса “самодействия заряда”, т.к. в этой теории принята нелинейная модель гравитации и рассматривается действие гравитации сразу во всей вселенной и на все источники. Помимо этого, в рамках ОТО принята континуальная модель пространства-времени – бесконечно делимый пространственно-временной континуум, поэтому точечные частицы в рамках ОТО не рассматриваются и никаких локальных бесконечностей в ОТО не возникает. Считается, что все материальные тела имеют конечный размер, при уменьшении которого с сохранением массы тела в момент, когда характерный размер становится меньше гравитационного радиуса, происходит релятивистский гравитационный коллапс и образование “черной дыры”.

Взятая отдельно от всей остальной физики, ОТО является самосогласованной внутренне непротиворечивой теорией. Если из рассмотрения убрать электромагнетизм (из которого она отчасти произросла), она лишена парадоксов (если не считать “кажущихся” релятивистских парадоксов, типа известного “парадокса близнецов”). Единственной трудностью собственно ОТО являлся все та же проблема гравитационной неустойчивости вселенной, которая возникла еще в рамках ньютоновской механики. Согласно ОТО вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. Более того, если в рамках ньютоновской механики она может быть равновесной при условии точного соблюдения баланса между внутренней потенциальной и кинетической энергиях, то в рамках ОТО вселенная в принципе не может быть равновесной, однако если суммарная масса вселенной равняется некоему критическому значению, скорость расширения вселенной будет стремиться к нулю со временем. Если масса вселенной меньше критической, скорость расширения вселенной будет стремиться к положительной величине, если больше – расширение вселенной сменится ее сжатием. Для того, чтобы сделать вселенную ОТО равновесной, Эйнштейн вводил в свои уравнения т.н. космологическую постоянную, имеющую смысл гравитационных свойств самого пространственно-временного континуума. Если масса вселенной больше критической, само пространство-время по мысли Эйнштейна должно обладать антигравитационными свойствами, чтобы уравновесить сжатие вселенной, сделав ее в целом статичной; если меньше, то оно должно обладать гравитационными свойствами, чтобы уравновесить расширение вселенной. Таким образом, в изначальном варианте ОТО фигурировала еще одна пустотная характеристика, в чем-то похожая по смыслу на магнитную и электрическую проницаемости вакуума. Две последних величины характеризуют собственные электромагнитные свойства пустоты, космологическая постоянная – ее собственные гравитационные свойства. Однако когда был открыт эффект “красного смещения”, его объяснение на основании релятивистского эффекта Доплера приводило к выводу о том, что наша вселенная действительно нестабильна и расширяется со временем. Отсюда был сделан вывод о том, что она имела таки временное начало, момент рождения, который получил название “Большой Взрыв”. Концептуально этот вывод очень плохо соответствует всему духу релятивистской физики, ведь согласно самой концепции относительности не может быть абсолютной системы отсчета времени. К тому же, если до “Большого Взрыва” не было ни пространства, ни времени, то, согласно самой ОТО, не было и материи, но тогда возникает вопрос, а что же все-таки взорвалось? Это, пожалуй, единственная загвоздка, целиком и полностью являющаяся трудностью самой ОТО. “Большой Взрыв” открывает дорогу метафизике в физику, что очень неприятно, т.к. противоречит позитивистским философским основаниям науки в целом, ибо, если до “Большого Взрыва” не было материи в том смысле, в котором она подразумевается в физике, не было и объекта для научного исследования, и все выводы и гипотезы относительно того, что же все-таки было до Большого Взрыва (если здесь вообще уместно использовать предлог “до”) могут быть чисто умозрительными. “Физика, берегись метафизики!” – изречение Ньютона, которое следует иметь в виду, когда в физике в той или ной форме возникает идея “Сотворения Мира”. Для сохранения самой концепции относительности бесконечной во времени вселенной, разумно предположить что эффект “красного смещения” имеет более сложную природу, чем тривиальный релятивистский сдвиг частот, но мне неизвестны какие-либо другие объяснения этого эффекта. Я хочу особо подчеркнуть, что я не являюсь противником идеи “Большого Взрыва” (или “Начала Времен”, “Начала Начал”, “Рождения Вселенной” и т.п. – называйте как угодно). Я против того, чтобы эта идея подрывала принцип причинности, лежащий в основе всей науки, согласно которому любая причина является следствием более ранней причины, ибо только благодаря принципу причинности вообще возможно познание как таковое, а любая идея, которая ставит принципиальные ограничения познанию, является, с моей точки зрения, вредной во всех отношениях. Кстати, в этом смысле ОТО страдает еще одним недостатком: универсальность скорости света и идея о принципиальной непреодолимости светового барьера тоже, в определенном смысле, ограничивает наши возможности к познанию, но универсальность скорости света, по крайней мере, установлена в многочисленных прямых экспериментах, хотя и истолкование результатов этих экспериментов так же может быть неоднозначным в том смысле, что вывод о принципиальной непреодолимости светового барьера может быть и неверным (см. абзац перед “лирическим отступленим” при рассмотрении “ньютоновской пустоты”).