В. Н. Савченко в. П. Смагин начала современного естествознания концепция и принципы учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Вопросы для обсуждения Пространственно-временные отношения и закономерности Согласно концепции Лейбница, пространство и время не есть самостоятельные начала бытия. 5.2. Принципы относительности движения — Третий принцип относительности 5.3. Концепции корпускулярности

Подобный материал:

• Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
• Учебное пособие / В. Н. Попов В. С. Касьянов, И. П. Савченко, 36.66kb.
• Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи, 1951kb.
• Учебное пособие Ульяновск 2010 удк 004. 8(075. 8) Ббк 32. 813я73, 1559.86kb.
• Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
• А. А. Горелов Концепции современного естествознания Учебное пособие, 3112.99kb.
• Ю. Б. Слезин Концепции современного естествознания Учебное пособие, 2161.2kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 794.09kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 783.58kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 454.51kb.

Резюме

1. В природе существует множество элементарных частиц, большинство из которых являются нестабильными.
   
2. Все элементарные частицы можно подразделить главным образом по основному признаку — вид взаимодействия, на 4 класса — фотон, лептоны, барионы и мезоны.
   
3. Частицы, обладающие сильным взаимодействием, — ад-роны (барионы и мезоны), состоят из 6 типов кварков. Кварки — субъядерные частицы обладающие дробным электрическим зарядом, не существуют в свободном состоянии.
   
4. Взаимодействие микромира имеет обменный характер, т. е. осуществляется некоторыми виртуальными частицами. Так, сильное взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (8 разновидностей), слабое взаимодействие осуществляется векторными бозонами, электромагнитное взаимодействие — виртуальными фотонами, гравитационное взаимодействие — гравитонами.
   

Вопросы для обсуждения

Прежде следует отметить, что элементарные частицы не являются такими уж «элементарными». Далее, только из малой доли элементарных частиц «сделано» обычное вещество в виде атомов, только протоны, нейтроны и электроны есть в атомах.

183

Это большая загадка природы! Зачем же столько остальных элементарных частиц, которых, с учетом резонансов, несколько сотен разновидностей? Были ли предопределены свойства элементарных частиц в момент «большого взрыва», или все возникло случайно? Есть один аргумент против случайности — антроп-ный принцип, о нем обязательно поговорим в послдней главе. Можно предложить следующие вопросы для обсуждения:

1. Виды взаимодействий в природе и классификация элементарных частиц.
   
2. Обменный характер взаимодействия в микромире. Виртуальные частицы.
   
3. Построение адронов (барионов и мезонов) из кварков.
   
4. Объединение различных взаимодействий, (электромагнитное и слабое = электрослабое; электрослабое и сильное = Великое объединение).
   
5. Квантовые числа элементарных частиц.
   

5. Фундаментальные принципы

и обобщенные положения

современного физического

естествознания

5.1. Концепции пространство и время

В предыдущих главах приведен краткий исторический материал из области физического естествознания, который позволяет рассмотреть ряд фундаментальных основополагающих физических концепций, возникших в разные исторические эпохи — от древности до современности. Начнем с понятий пространства и времени.

Пространство и время, как определяют их философы, — всеобщие формы существования материи, не существующие вне материи и независимо от нее. Пространство — математическая, физическая и философская категория. Время — физическая (но сейчас даже общее — естественнонаучная, так как и геологи, и биологи, и представители других естественных наук обосновывают необходимость использования понятия времени в своих исследованиях) и философская категория, как форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений.

185

Исторически первым из математических пространств и наиболее известным издавна и в настоящее время является евклидово пространство, представляющее приближенный абстрактный образ реального физического пространства. Менее известны пространства Лобачевского, Рима-на, Гильберта, Жюлиа, Хаусдорфа, МандельброТа и другие. Вопрос о том, какое математическое пространство отражает общие свойства реального физического про странства, решается опытом (но так и не решено д сих пор — какое именно?).

Пространственно-временные отношения и закономерности — это очередной этап сложности реально (действительно) существующего мира, отношения, понимаемые первоначально на обыденном (созерцательном) уровне сознания, а в современную эпоху постигаемые на уровне научного сознания.

С античных времен наиболее известными были две концепции совместного рассмотрения пространства и времени. Одна из них идет от древних атомистов — Демокрита, Эпикура и Лукреция, позднее тщательно разработана Ньютоном, которые ввели понятие пустого однородного и бесконечного пространства, а время рассматривали как субъективное ощущение действительности. Другая концепция восходит еще к Аристотелю, разработана в Новое время Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Все они фактически придерживались идеи о заполненном мировом пространстве (без пустоты), то есть идеи о тождестве протяженной материи и пространства.

Ньютон представил понятия пространства и времени как особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Абсолютное пространство, или пространство само по себе, есть пустое «вместилище тел», оно

186

неизмеримо и непознаваемо. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяженность тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определенные места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Положения тел и расстояния между ними можно определить только по отношению к другим телам. Время так же абсолютно, как и пространство, есть чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, а могут и не заполнять, ход событий не влияет на течение времени.

Время универсально, непрерывно, бесконечно, одномерно. От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное или обыденное время. Парадокс ньютонова пространства и времени состоит в том, что не существует опытов, которые позволили бы измерять положение тела в пространстве или момент времени события — экспериментально можно измерять только расстояния между телами или промежутки времени между событиями. Таким образом, чтобы сопоставлять пространству и времени какие-либо физические величины, мы должны выбрать некоторое тело, в качестве начала отсчета расстояний, и некоторый момент времени, в качестве начала отсчета его промежутков, что в конечном итоге ведет к необходимости введения некоторой системы отсчета. Вот с этого выбора и начинается ньютонова наука о движении — механика.

Согласно концепции Лейбница, пространство и время не есть самостоятельные начала бытия. Пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, сосуществующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. Протяженность любого объекта не есть первичное свойство, а

187

обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Что же касается самой природы времени как порядка сменяющих друг друга явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь.

В истории естественнонаучных представлений о времени, как отдельном феномене, можно выделить четыре его концепциии, группируемых обычно попарно. Первая пара концепций времени расходится по вопросу о природе времени: 1) субстанциальная концепция рассматривает время как особую субстанцию, субстрат, наряду с пространством, веществом и другими физическими характеристиками; 2) реляционная концепция считает время отношением (или системой отношений) между физическими событиями. Вторая пара концепций времени выражает разные точки зрения на процесс становления времени: 1) статическая концепция считает события прошлого, настоящего и будущего существующими реально и в известном смысле одновременно, а становление и исчезновение материальных, физических объектов — это иллюзия, возникающая в момент осознания того или иного изменения; 2) динамическая концепция, напротив, считает, что реально существуют только события настоящего времени, события прошлого уже реально не существуют, а события будущего еще реально не существуют. Видно, что в этих концепциях смешиваются физика и философия и как трудна и неоднозначна проблема времени.

Укоренившиеся в науке ньютоновские представления о пространстве и времени изменились, когда в физическую картину мира вошла в конце XIX века концепция поля, как формы материальной связи между объектами вещества, поля, как особой и самостоятельной формы материи. Казалось, что для рассмотрения поля, тогда толь-

188

ко электромагнитного, нужна особая среда — эфир, заполняющий мировое абсолютное пространство, но это не нашло ни тогда, ни сейчас достоверного опытного подтверждения.

Представления о новых свойствах пространства и времени получили новое развитие в научной дисциплине, получившей название специальная теория относительности, или релятивистская механика. Герман Минковс-кий, развивая представления Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна о свойствах пространства и времени, заявил с трибуны съезда естествоиспытателей в 1908 году: «Воззрения на пространство и время... возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должно обратиться в фикцию и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Так им было установлено единство пространства и времени, их объединение в пространство-время с четырьмя (три пространственных и одна временная) измерениями или координатами. Академик Анатолий Логунов так определил сущность теории относительности, называя это утверждение постулатом: «Физические процессы протекают в четырехмерном пространстве, геометрия которого псевдоэвклидова» (иногда псевдоэвк-лидово пространство называют миром или пространством Минковского).

Теория относительности исключает представления о пустых (свободных) пространстве и времени, имеющих какие-то собственные измерения. Дальнейшее развитие теории относительности в виде теории тяготения или общей теории относительности, осуществленное Эйнштейном, показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс, от распреде-

189

ления материи (см. раздел 6 о космологии и космогонии). Таким образом, была доказана несостоятельность как воззрений Канта, определившего пространство и время как априорные формы человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и несостоятельность догматических воззрений Ньютона на абсолютное пространство и время.

5.2. Принципы относительности движения —

классический, релятивистский

и к средствам наблюдения

Важнейший атрибут материи, способ ее существования — движение. В самом общем виде движение — «...это изменение вообще» (так утверждал немецкий философ Карл Маркс), любое взаимодействие материальных объектов. Здесь не следует подразумевать под термином «взаимодействие» только конкретные фундаментальные физические взаимодействия, о которых говорилось в предыдущих главах, а мыслить понятие взаимодействия шире, мыслить как философскую категорию, отражающую процессы воздействия объектов друг на друга и их взаимную обусловленность, порождение одним объектом другого. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы.

Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности, так что уместно отметить слова Аристотеля: «Незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы». Известное издревле механическое движение (перемещение) сужало и философское понимание движения до рамок механического, пока великий немецкий философ Георг Гегель не сформулировал наиболее

190

общие законы изменения (движения) — закон перехода количественных изменений в качественные, закон борьбы противоположностей и закон отрицания отрицания.

Движение как понятие противоречиво по своей сути (вспомните хотя бы апории Зенона о движении), поскольку оно заключается в неразрывном единстве противоположных аспектов — изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютного и относительного, перемещения и покоя. В противоречивом единстве изменчивости и устойчивости, например, ведущую роль играет изменчивость, ибо все новое появляется через нее, а устойчивость, покой лишь фиксирует достигнутое в этом процессе. Движение как физическое явление происходит в пространстве и времени. Определив впервые в «Математических началах» эти понятия, а также объекты исследования, Ньютон далее определяет состояние физических объектов (тел) и законы движения. Введенная Ньютоном процедура создания (разработки) теории (описанная нами в 3.3) оказалась универсальной в науках: сначала определяются объекты как физические или другие естественнонаучные понятия в пространстве и времени, затем вводятся их состояния и, наконец, задаются или выводятся законы эволюции (изменения, динамики) этих состояний в указанном пространстве и времени.

Для науки оказалось важно, что уже первый ньютонов закон движения — закон инерции, выведенный из экспериментов еще Галилео Галилеем, выражен в явно относительной форме (хотя это первоначально не осознавалось и не проверялось). Состояния покоя и прямолинейного равномерного движения оказываются равноправными в зависимости от состояния движения тела (тела отсчета), с которого производится наблюдение. Так в физике возник классический, или галилеев (по предложе-

191

нию Пуанкаре), принцип относительности, первый в ряду принципов относительности. Сам принцип неосознанно появился в XVIII веке, а сформулирован был в начале XX века Анри Пуакаре!

Расширение понятия относительности возникло в связи с открытием электромагнитного поля (оно же свет), главной парадоксальной особенностью которого оказывается экспериментально подтвержденное распространение с постоянной скоростью (последняя, т. е. скорость света в пустоте, является также предельно возможной из всех известных скоростей). Совместное истолкование классического принципа относительности и принципа постоянства скорости света (отмечалось в предыдущем пункте как заслуга Германа Минковского, введшего в науку представление о четырехмерном пространстве — времени, о четырехмерном мире) — это и есть новый релятивистский принцип относительности. Основным понятием такого истолкования принципа относительности становится понятие мирового события, которое характеризуется местом (где) и временем (когда) оно происходит.

Анализируя ситуацию с релятивистским принципом относительности, академик Логунов сформулировал обобщенный принцип относительности, который приведен ниже.

«Какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), всегда можно указать бесконечную совокупность других систем отсчета, таких, что все физические явления в них протекают одинаковым образом с исходной системой отсчета, так как мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить на эксперименте, в какой именно системе отсчета, из этой бесконечной совокупности, мы находимся. Следует особо подчеркнуть, что любой физический про-

192

цесс позволяет определить, находимся мы в инерциаль-ной или в неинерциальной системе отсчета. Однако никакой физический эксперимент не в силах дать ответ на вопрос: в какой именно системе из бесконечного набора систем отсчета мы находимся».

Третий принцип относительности возник в квантовой физике в связи с особенностями движения микрообъектов и упоминался нами ранее как принцип относительности к средствам наблюдения. Формулировка этого принципа, как и возникновение квантовой физики и ее представлений, послужили развитию нового этапа в науке — этапа неклассической науки, главный смысл которой состоит в неконтролируемом влиянии человека на результаты эксперимента, в потере прежней достоверной (лапласовской, детерминистской) предсказательности науки и замене ее на вероятностное предсказание.

5.3. Концепции корпускулярности,

континуальности и корпускулярно-волнового

дуализма

В классической физике, являющейся, по существу, макрофизикой, формирование которой завершилось к началу XX века, научная картина мира сложилась из двух элементов (объектов) — частиц (корпускул) и полей (континуума). Частицы понимались как маленькие объекты материи, движущиеся по законам Ньютона. Каждая из частиц имеет 3 степени свободы (координаты), поскольку движение происходит в трехмерном евклидовом пространстве, и, если, кроме того, известна зависимость координат (местоположение) их от времени, то это однозначно определяет траекторию, так что имеется исчерпывающая (полная) информация о движении частицы. Опи-

_1ЭЗ

сание полей (непрерывного континуального распределения какой-либо физической величины) значительно сложнее, поскольку надо задавать значения физической величины во всех точках пространства. Таким образом, для описания поля необходимо знать уже не 3 (как для материальной точки), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле (континуум) имеет бесконечное число степеней свободы. По этой причине значительно сложнее выглядят законы и уравнения полей, установленные Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом.

Указанное различие между частицами и полями: частицы — дискретны, поля — непрерывны, в классическом варианте науки оказывается не единственным. Так оказалось, что электромагнитное поле (оно же свет), представленное набором (пакетом) волн, может порождаться и поглощаться, в то время как материальным телам (представленным набором точек) возникновение и уничтожение чуждо. Помимо того, волны, накладываясь друг на друга, могут усилить, ослабить или вообще погасить себя, тогда как с потоками частиц такового не происходит. Встречаясь же между собой, частицы и волны остаются независимыми друг от друга, проявляют во все моменты времени свои, только им присущие индивидуальные черты.

Но положение об абсолютном их различии существенно изменилось, когда была высказана гипотеза Макса Планка о порции, кванте (как это было названо по-немецки) излучения. Вскоре эта гипотеза была обобщена Эйнштейном на акт поглощения, который дискретность излучения и поглощения связал с внутренними свойствами актов излучения и поглощения. В каждом из этих актов участвует квант поля — особая «частица», названная фотоном. Таким образом, полю оказались присущи

194

черты дискретности, которые ранее приписывались лишь частицам. Подобно частице (корпускуле), фотон всегда существует как единое целое. Однако, наряду с корпускулярными, фотон обладает также более «родными», волновыми свойствами. Вот такое двуединое (дуальное), корпускулярно-волновое представление (корпускулярно-волновой дуализм) о кванте электромагнитного поля -фотоне — было распространено Луи де Бройлем на все виды материи и, в первую очередь, конечно, на электрон, главную частицу любого атома.

Все выше приведенные гипотезы получили экспериментальное подтверждение и породили то, что впоследствии стало называться (и сейчас называется) корпуску-лярно-волновым дуализмом, но главное — новую науку о законах движения и способах описания этого движения объектов микромира — квантовую (или волновую) механику. Важнейшей ее чертой, ее главной особенностью является идея вероятностного описания движения микрообъектов, то есть тех объектов, из которых состоят атомы и ядра атомов, в первую очередь, фотоны, электроны, протоны и нейтроны (за пределами атомов находится мир элементарных частиц, которому присущи свои специфические особенности). Особенность и специфичность описания движения микрообъектов такова, что позволяет знать (математически определить) вероятность обнаружения их в любой точке бесконечного пространства в любой момент времени. Это допускает возможность говорить как бы и о «точечности» микрообъектов, хотя о траекториях их в прежнем классическом смысле рассуждать уже нельзя.

Таким образом, проявившаяся в опытах дуальность свойств микрообъектов находит отражение в вероятностном способе квантово-механического описания, устраняющем резкую границу, разделявшую в классической

195

теории два ее объекта — поля и частицы. Это вероятностное описание продиктовано корпускулярно-волновой природой микрообъектов, и его правильность проверена на огромном числе экспериментов. Кстати, великий Эйнштейн эту трактовку не принимал, говоря: «Бог не играет в кости», но вот ошибался ли гений или был прав, сейчас пока трудно сказать, но физики теперь предпочитают говорить так: «Бог играет в кости, но никогда не проигрывает!» По существу, это красивая отговорка, не более.