В. Н. Савченко в. П. Смагин начала современного естествознания концепция и принципы учебное пособие
| Вид материала | Учебное пособие |
- 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.
Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность) — одна из самых важных распространенных характеристик природы. В искусстве симметрия выступает как признак гармоничной композиции, в математике характеризуется как отражение (зеркальное), как свойство геометрических фигур, как инвариантность (неизменность) структуры объекта относительно его преобразований. Понятие симметрии выходит далеко за рамки физико-математического знания и, будучи органически связано с представлениями о сходстве, повторяемости, порядке, ритме, цикле, форме и т. п., восходит к самым истокам человеческой культуры.
Создание понятий «симметрия» и «асимметрия» приписывается современнику Пифагора — Гиппасу (VI век до н. э.). Пифагореец Гиппас термин «симметрия» — соразмерность, употреблял как синоним «порядка», «упорядоченности». Идеи симметрии и числовой гармонии были характерны не только для пифагорейцев и Платона, но содержались в концепции периодического возникновения и уничтожения космоса как у Анаксимандра и Анаксиме-
196
на, так и в индийских ведах, в учении Анаксагора об уме как принципе красоты и порядка. Атомистика Левкиппа, Демократа и Эпикура с ее концепцией о пустоте — прообразе трехмерного бесконечного однородного и изотропного пространства — и геометричности атомов и амеров также существенно опиралась на идеи симметрии.
Другой, столь же фундаментальной идеей, характерной для античности, была идея сохранения свойств и объектов материального мира! Известно, что разнообразные натурфилософские учения, связанные с признанием той или иной материальной первоосновы мира, явно или неявно, содержали в себе идею сохранения материи. Более того, уже в античности была осознана глубокая взаимосвязь между понятиями симметрии и сохранения, причем именно в той форме, которую можно считать прообразом современного понимания этой взаимосвязи, связывающей законы сохранения со свойствами симметрии физических систем. В интересующем нас вопросе эта гениальная догадка была доказана выдающейся женщиной-математиком, немкой Эмми Нетер, только в 1918 году, то есть более чем через 2000 лет после ее появления! Теорема Нетер сыграла революционное значение в науке, поскольку в этот момент завершилось 300-летие господства динамического подхода в физических теориях, и к нему добавились, а точнее, ему (динамическому подходу) на смену пришли принципы» связанные с симметриями и законами сохранения в структуре физических теорий тех или иных величин. В этом единстве принципов (а сама теорема Нетер играет роль принципа структурной организации физических теорий, физических систем) главенствующая роль принадлежит симметрии, которая, с одной точки зрения, в значительной мере определяет форму динамического закона, а с другой, и в этом суть теоремы Нетер, опреде-
197
ляет число и тип сохраняющихся величин. Исторический путь развития физики в XX веке подтвердил исключительную правильность отмеченных принципов.В качестве примеров приведем несколько видов симметрии и соответствующих им законов сохранения. Фундаментальным видам пространственно-временной (геометрической) симметрии уравнений движения (ньютоновых, эйнштейновых, шредингеровых и дираковых), оставляющим в каждом случае инвариантной (неизменной) форму самих уравнений, соответствуют фундаментальные, наиболее известные законы сохранения величин в физических системах:
- Симметрия по отношению к переносам во времени (сдвигам моментов времени) порождает закон сохранения энергии (проявление однородности времени).
- Симметрия по отношению к переносам в пространстве (трансляциям, сдвигам начала координат из одной точки в другую) порождает закон сохранения импульса (проявление однородности пространства).
- Симметрия по отношению к поворотам или вращениям в пространстве порождает закон сохранения момента импульса (проявление изотропности пространства).
Но имеется и другой класс симметрий, симметрий ограниченного действия. Классическая физика, обладая симметрией по отношению обращения знака времени или обратимости времени, фактически делает ее независимой от времени, что, конечно, парадоксально. Это позволило одному из историков науки, французу Александру Койре, назвать движение в классической динамике «движением, не связанным со временем, или, что еще более странно, движением, происходящим во вневременном времени — понятием столь же парадоксальным, как изменение без изменения» (курсив наш. — Авт.). Данная симметрия дей-
ствует только в макромире, а вот в микромире уже нет. Зеркальная симметрия действует в микромире (тождество левого и правого) и порождает сохранение некоторого особого свойства, получившего название четность, которая приписывается каждой микрообъекту, например, так же, как электрический заряд. Если там же, в микромире, осуществить операцию так называемого зарядового сопряжения (то есть мысленно мир электронов заменить на мир позитронов, мир частиц — на мир античастиц), то это тоже не изменит законов природы. Два последних вида симметрии — зеркальное и зарядовое сопряжение — нарушаются при слабых взаимодействиях, обуславливающих распад большинства микрообъектов (например, нейтрона, покинувшего ядро атома).
Ограниченность проявления симметрий связана с иерархией симметрий. Не анализируя всей сложности возникающих ситуаций, только укажем некоторые из них: при взаимопревращениях микрообъектов сохраняется электрический заряд; при сильных взаимодействиях сохраняется величина, получившая название для барионов (тяжелых частиц) барионный заряд, сами барионы, за исключением сверхстабильного протона, рождаются парами; подобный закон сохранения действует и для лептонов (легких частиц); в ядрах атомов нейтрон и протон оказываются неразличимыми (но только в ядрах), то есть являются как бы одной частицей — нуклоном, эта симметрия имеет особое название — изотопическая инвариантность. Число примеров можно было бы множить, тем более, что вся вторая половина XX века прошла в теоретической физике под знаком господства так называемой калибровочной инвариантности как особого вида симметрии, которым обладает как электромагнитное поле, так и все другие физические поля микромира.
199
Суть калибровочной инвариантности состоит в том, что взаимодействующие тем или иным образом (электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым) частицы переносят это взаимодействие посредством некоторого, в каждом конкретном случае своего, особого поля. Эта особенность взаимодействия оказалась всеобщей и универсальной. В конечном итоге, поиски все новых симметрий «подарили», как мы отмечали, самые «элементарные» из всех частиц — кварки, что послужило основанием появления новой физики микромира, основанной исключительно на симметриях — квантовой хромодинамики.5.5. Концепции физического вакуума
Обсудим, прежде всего, геометрический аспект проблемы. Мысль о том, что великая пустота (или вакуум) есть источник окружающего нас мира, уходит вглубь веков. Согласно представлениям древних мыслителей Востока (Китая, Индии), все материальные объекты возникают из пустоты, являются ее частью и, в этом смысле, иллюзорны. Вот диалог ученика и учителя о великой пустоте в древнеиндийских «Ведах»: «Ученик спрашивает: — Каков источник этого мира? — Пространство, — ответил учитель. — Поистине все эти существа выходят из пространства и возвращаются в пространство, ибо пространство больше их, пространство — последнее их прибежище». Важное место в натурфилософии древних греков занимало также понятие пустоты, без которой не могло мыслиться движение, но не как источник мира, как в древнеиндийских «Ведах».
Еще до наступления Нового времени итальянский философ Ф. Патрицци писал: «Итак, пространство есть
200
то, что прежде мира и будет после него, что стоит во главе мира, из него исходит и, наконец, обращается в нечто... Разве оно тогда не является субстанцией? Если субстанция то, что лежит в основе, то пространство и есть, скорее всего, сущность».
Мы знаем, изучили ранее, что в классической физике используется понятие абсолютно пустого пространства («вместилища вещей»), которое можно считать синонимом вакуума классической нерелятивистской физики (то есть физики при скоростях объектов, много меньше скорости света). Физика, начало которой положила механика Ньютона, развивалась как теория измерения расстояний и моментов времени объектов (тел), движущихся относительно других материальных объектов (тел.). Полученные в результате измерений множества координат и времени подвергались обработке, чтобы получить траекторию и уравнения движения. Эта связь между геометрией пространства событий и механикой тел была уже замечена Ньютоном, который писал: «Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения». Таким образом, мы видим, что представления о пространстве и времени с XVII века связываются с экспериментальной проверкой, так же как и интересующее нас здесь понятие вакуума, в отличие от древних мыслителей, не проверявших своих воззрений. Так же, как и евклидова геометрия механики Ньютона, геометрия искривленных пространств, созданная Лобачевским, Гауссом и Больяи (гиперболическая) и Риманом (эллиптическая), в основе своей содержат физический опыт измерений.
В статье «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» Риман отмечал: «...Предложения геометрии не выво-
201
дятся из общих свойств протяженных величин, напротив, те свойства, которые выделяют пространство из других мыслимых, трижды протяженных величин, могут быть почерпнуты не иначе, как из опыта» (и это пишет не физик, а математик!).Еще большее сближение представлений восточных и европейских ученых мы находим в точке зрения на природу материи английского математика Уильяма Клиффорда, который в философской статье «О пространственной теории материи» прямо говорил, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося (возможно) закону непрерывности». По Клиффорду, материя — это сгустки пространства, своеобразные, холмы кривизны на фоне плоского пространства.
Идеи Клиффорда нашли свое развитие в работах Эйнштейна, которому удалось представить гравитационное поле через кривизну пространства-времени. Пустое, но искривленное пространство позволяет получить решения, которые подтверждаются на опыте. Среди них — эффекты смещения перигелия Меркурия, отклонение луча света в гравитационном поле Солнца, запаздывание радиосигналов в гравитационном поле. Эйнштейн безоговорочно верил в правильность выбранного пути: «Я считаю, далее, что уравнения гравитации для пустого пространства представляют собой единственный рациональный обоснованный случай теории поля, который может претендовать на строгость».
Рассмотрим теперь другой — «полевой» аспект физического вакуума, то есть путь, когда вакуумные представления уходят в квантово-полевую область материи или в мир элементарных частиц (микромир). Вакуум — это состояние, в котором реально отсутствуют какие-
202
либо частицы, поля, волны, каком-либо материя (это тривиальное, классическое, обыденное представление о вакууме). В обычных условиях такое состояние обладает минимально возможной энергией. Реализацией такого представления о вакууме является пустое пространство, хотя, на первый взгляд, это бесперспективно. Новое, релятивистское представление о физическом вакууме получил английский физик Поль Дирак, когда рассмотрел поведение электрона в пространстве-времени Эйнштейна — Минковского. Он открыл в результате реальный мир античастиц, который является особым состоянием физического вакуума, ранее считавшегося лишенным какой-либо материи. Поразительным оказалось то, что квантовая физика преподносит «трюки» даже в отсутствии квантовых частиц.
Источник таких «трюков» — принцип неопределенности Гейзенберга. В какие-то очень малые, не фиксируемые приборами промежутки времени, энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все родившиеся частицы будут короткоживущими, так как израсходованная на них энергия должна быть «возвращена» через ничтожную долю времени. Тем не менее, частицы могут возникнуть из «ничего» (вот это и называют «вакуумом» современной физики), обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную картину невозможно предотвратить. Как бы мы не старались опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой частиц, возникновение которых «субсидируется» соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность «виртуальных частиц», аналогичных переносчикам вза-
203
имодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова возвращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками. Вот, например, российский ученый Дмитрий Блохинцев писал: «Согласно этой точке зрения (детерминистическому подходу. — Авт.)» частицы являются лишь возбуждениями вакуума, который продолжает жить и тогда, когда никаких частиц нет; в нем флуктуирует электромагнитное поле... Это — не покой, а вечное движение, подобно зыби на поверхности моря... С этой точки зрения ясно также, что никаких изолированных, предоставленных самим себе («свободных», как говорят) частиц не существует. Даже в случае значительного удаления частиц друг от друга, они все же продолжают принадлежать породившей их среде, находящейся в состоянии непрерывного движения». Этим эффектом постоянного движения объясняются некоторые особенности поведения электрона в атоме водорода. Существуют и другие проявления этого удивительного свойства физического вакуума, в том числе, реальное рождение электрон-позитронных пар, зарегистрированное на экспериментах.Еще разнообразнее возможные свойства вакуумного состояния полей при учете слабых, сильных и гравитационных полей. Укажем лишь, что эти свойства непосредственно связаны с такими представлениями современной теоретической физики, как спонтанное нарушение симметрии, асимптотическая свобода (для кварков), «пенная» структуры пространства-времени на малых (план-ковских) расстояниях (предполагаемая в мгновения до начала «большого взрыва»), испарение гравитационных «черных» дыр и др.
204
5.6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
В качестве итога изложения концептуальных принципов и понятий физического естествознания, содержащихся в главах 3, 4 и в предыдущих пунктах, можно констатировать существование следующих фундаментальных принципов, представленных ниже с их кратким разъяснением.
- Принцип относительности — закон, состоящий в том, что любой процесс протекает одинаково в изолированных инерциальных материальных системах, системах, покоящихся либо равномерно прямолинейно движущихся относительно друг друга. Принцип относительности утверждает равноправие всех инерциальных систем отсчета. Особо следует выделять принцип относительности к средствам наблюдения, устанавливающего связь макро- и микромиров.
- Принцип распространения света — скорость распространения света в вакууме (пустоте) не зависит от скорости источника и является предельной для любых физических скоростей.
- Принцип суперпозиции в классической физике — утверждение, состоящее в том, что результирующий эффект от независимых воздействий представляет собой линейную сумму эффектов от каждого воздействия в отдельности.
Принцип суперпозиции состояний в квантовой физике — утверждение, состоящее в том, физическая система может находиться как в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, так и в состояниях, описываемых любой линейной комбинацией этих функций. Принцип суперпозиции можно понимать как принцип линейных независимых наложений воздействий или состояний друг на друга.
205
-
Принцип корпускулярно-волнового дуализма (принцип волновых свойств материи) — утверждение, заключающееся в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы, молекулы и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул) и волн, количественные связи энергии, массы, импульса и частоты которых определяются соотношениями де Бройля.
- Принцип неопределенности Гейзенберга — принцип квантовой физики, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (координата и импульс, энергия и время и др.) не могут одновременно принимать точные значения и не могут быть потому одновременно точно измерены. Количественная связь неопределенностей (погрешностей) в определении дополнительных величин ограничивается их произведением, равным или превосходящим постоянную Планка.
- Принцип тождественности частиц (микромира) — положение квантовой физики, согласно которому состояния системы частиц (микрообъектов), получающиеся друг из друга перестановкой местами тождественных (неотличимых) частиц, нельзя различить ни в каком эксперименте, и такие состояния должны приниматься как одно физическое состояние. Из указанного принципа следует симметрия волновой функции системы тождественных частиц.
- Принцип запрета Паули — закон природы, согласно которому в какой-либо квантовой системе тождественных частиц с полуцелым спином (например, электроны, протоны и др.) две или более частицы не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии (именно это запрещено — быть в одинаковом состоянии).
8. Принцип эквивалентности (гравитационной и
инертной масс) — закон природы, который устанавлива-
206
ет аналогию между свободным движением тел, наблюдаемым в неинерциальной (ускоренной) системе отсчета, и движением тел в поле тяготения. Принцип утверждает эквивалентность ускоренных систем отсчета некоторому гравитационному полю.
9. Принцип дополнительности Бора — принцип, со
гласно которому существуют две взаимоисключающие и
дополняющие друг друга импульсно-энергетическая и про
странственно-временная картины состояний микрообъек
та, получаемые при взаимодействии его с соответствую
щими измерительными приборами. Одновременные точ
ные данные о них невозможны.
- Принцип соответствия Бора — утверждение, состоящее в том, что новая, более глубокая и общая теория, своими следствиями и выводами должна включать в себя старую теорию как предельный случай (например, релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях — классическую механику Ньютона и др.).
- Принцип калибровочной инвариантности (компенсации) в теории полей — преобразование, задающее переход от одних значений, характеризующих поле величин, к другим, оставляющим без изменения физически определенные, наблюдаемые (измеряемые) на опыте параметры поля. Например, в электродинамике — переход от одних значений электрических потенциалов к другим, оставляющий без изменения значения напряженностей электрического и магнитного полей, плотность их энергии и т. д. Компенсация за такое преобразование сводится к появлению агента, переносящего то или иное свойство микрообъекта в пространстве и времени — например, агента взаимодействия электрических зарядов посредством (или в виде) электромагнитного поля или фотонов. Данный принцип является всеобщим (всеобъемлющим) принципом природы.
207
Нижеследующие принципы:- Принцип спонтанного нарушения симметрии и
- Принцип перенормируемости являются характерными для мира элементарных частиц и связаны с методами их классификации на унитарной основе и исключения бесконечных величин, возникающих в квантово-полевых теориях.
Термодинамические принципы:
- Первый принцип (первое начало) термодинамики,
- Второй принцип (второе начало) термодинамики,
- Третий принцип (третье начало) термодинамики,
- Принцип минимума производства энтропии в достаточной полноте истолкованы нами в заключительной части данного пункта, тогда как основанный на них
- Принцип необратимости (движения и времени) в естествознании еще только начинает формироваться и не имеет общепринятого толкования и осмысления.
Представленные выше фундаментальные принципы позволяют сформулировать основные выводы о физической природе материального мира частиц, полей и их систем. Ниже, в виде обобщающих положений, они приведены с указанием имен ученых, внесших определяющий вклад в их творение и осмысление.