Вы здесь

Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Лекция 4. Принципы, категории и законы физической картины мира ( Коллектив авторов, 2009)

Лекция 4. Принципы, категории и законы физической картины мира

Что понимается под физической картиной мира? Под физической картиной мира мы будем понимать образ мира, складывающийся как в результате деятельности сообщества физиков, так и в результате логико-методологического и философского осмысления и критики этого образа.

Смысловыми блоками – этапами построения физической картины мира – являются: классическая физика, включающая механику, оптику, термодинамику, электродинамику, и неклассическая физика, включающая специальную и общую теорию относительности, квантовую механику, квантовую теорию поля, элементы построения единой теории поля.

1. Классическая физика. Классическая механика

Возникновение классической механики явилось началом превращения физики в строгую науку, т. е. систему знания, утверждающую истинность, объективность, обоснованность и проверяемость как своих исходных принципов, так и своих конечных выводов. Это возникновение происходило в XVI–XVII в. и связано с именами Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона. Именно они осуществили «математизацию» природы и заложили основы экспериментально-математического взгляда на природу. Они представили природу как множество «материальных» точек, обладающих пространственно-геометрическими (форма), количественно-математическими (число, величина) и механическими (движение) свойствами и связанных причинно-следственными зависимостями, которые можно выразить в уравнениях математики.

Начало превращения физики в строгую науку было положено Г. Галилеем. Он сформулировал ряд фундаментальных принципов и законов механики. А именно:

1) принцип инерции, согласно которому, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлении движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;

2) принцип относительности, согласно которому в инерциальных системах все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится;

3) принцип сохранения скоростей и сохранения пространственных и временных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой. Это знаменитое галилеево преобразование.

Целостный вид логико-математически организованной системы основных понятий, принципов и законов механика получила в работах Исаака Ньютона, прежде всего в работе «Математические начала натуральной философии». В этой работе Ньютон вводит понятия: масса, или количество материи, инерция, или свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или движения, вес как мера массы, сила, или действие, производимое на тело для изменения его состояния.

И. Ньютон различал абсолютные (истинные, математические) пространство и время, которые не зависят от находящихся в них тел и всегда равны сами себе, и относительные пространство и время – подвижные части пространства и измеряемые длительности времени.

Особое место в концепции И. Ньютона занимает учение о силе тяготения, или гравитации, в котором он объединяет движение «небесных» и земных тел. Это учение включает утверждения:

1) тяжесть тела пропорциональна заключенному в нем количеству материи или массы;

2) сила тяжести пропорциональна массе;

3) сила тяжести, или тяготение, и есть та сила, которая действует между Землей и Луной обратно пропорционально квадрату расстояния между ними;

4) эта сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.

В отношении природы силы тяготения И. Ньютон говорил: «Гипотез не измышляю».

Механика Галилея – Ньютона, развитая в работах Д. Аламбера, Ж. Л. Лагранжа, П. С. Лапласа, У. Р. Гамильтона, получила в итоге стройную форму, определяющую физическую картину мира того времени. Эта картина основывалась на принципах самотождественности физического тела; его независимости от пространства и времени; детерминированности, т. е. строгой однозначной причинно-следственной связи между конкретными состояниями физических тел; обратимости всех физических процессов.

2. Термодинамика

Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в XIX в. С. Кално, Р. Майером, Д. Джоулем, Г. Гемгольцем, Р. Клаузиусом, У. Томсоном (лордом Кельвином), привели к выводам, о которых Р. Майер писал: «Движение, теплота… электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам»[3]. Г. Гемгольц обобщает это утверждение Р. Майера в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна»[4]. Уильям Томсон уточнил понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив энергию как способность совершать работу. Р. Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями сообщества физиков был сформулирован фундаментальный для всего физического знания закон сохранения и превращения энергии.

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона – закона возрастания энтропии. «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, – писал Р. Клаузиус, – не может иметь места без компенсации»[5]. Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией. Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо. Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, называют вторым началом термодинамики. Первое начало – закон сохранения и превращения энергии.

Принцип возрастания энтропии поставил перед физической мыслью ряд проблем: соотношения обратимости и необратимости физических процессов, формальности сохранения энергии, не способной совершать работу при температурной однородности тел. Все это требовало более глубокого обоснования начал термодинамики, прежде всего природы тепла.

Попытку такого обоснования предпринял Людвиг Больцман, который пришел, опираясь на молекулярно-атомное представление о природе теплоты, к выводу о статистическом характере второго закона термодинамики, т. к. вследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения мы наблюдаем лишь средние значения.

Определение же средних значений – задача теории вероятностей. При максимальном температурном равновесии максимален и хаос движения молекул, в котором исчезает всякий порядок. Встает вопрос: может ли и если да, то как, из хаоса снова возникнуть порядок? На это физика сможет ответить лишь через сто лет, введя принцип симметрии и принцип синергии.

3. Электродинамика

К середине XIX в. физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Был открыт ряд важнейших законов Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и т. д. Все эти законы базировались на принципе дальнодействия. Исключением были взгляды Фарадея, который считал, что электрическое действие передается посредством непрерывной среды, т. е. на основе принципа близкодействия. Опираясь на идеи М. Фарадея, английский физик Дж. Максвелл вводит понятие электромагнитного поля и описывает «открытое» им состояние материи в своих уравнениях…«Электромагнитное поле, – пишет Дж. Максвелл, – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»[6]. Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Дж. Максвелл получает волновое уравнение, из которого следует существование электромагнитных волн, скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Существование таких электромагнитных волн экспериментально было подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 г.

Для того чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона, т. е. малой электрически заряженной частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 г. немецким физиком П. Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле. В 1897 г. У. Томсон экспериментально подтвердил наличие мельчайшей отрицательно заряженной частицы, или электрона.

Так в рамках классической физики возникла достаточно стройная и завершенная картина мира, описывающая и объясняющая движение, гравитацию, теплоту, электричество и магнетизм, свет. Это и дало повод лорду Кельвину (У. Томсону) сказать, что здание физики практически построено, не хватает лишь нескольких деталей…

Во-первых, оказалось, что уравнения Дж. Максвелла являются неинвариантными относительно преобразований Г. Галилея. Во-вторых, теория эфира как абсолютной системы координат, к которой «привязаны» уравнения Дж. Максвелла, не нашла экспериментального подтверждения. Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет. Сторонник сохранения уравнений Дж. Максвелла Гендрик Лоренц, «привязав» эти уравнения к эфиру как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Г. Галилея, его преобразованиями и сформулировал свои преобразования. Из преобразований Г. Лоренца следовало, что пространственные и временные интервалы неинвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Все бы ничего, но существование абсолютной среды – эфира – не подтверждалось, как отмечалось, опытно-экспериментально. Это кризис.

4. Неклассическая физика. Специальная теория относительности

Описывая логику создания специальной теории относительности, Альберт Эйнштейн в совместной с Л. Инфельдом книге пишет: «Соберем теперь вместе те факты, которые достаточно проверены опытом, не заботясь больше о проблеме эфира:

1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна независимо от движения источника или приемника света;

2) в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение…

Первое положение выражает постоянство скорости света, второе обобщает принцип относительности Г. Галилея, сформулированный для механических явлений, на все происходящее в природе»[7]. А. Эйнштейн отмечает, что принятие этих двух принципов и отказ от принципа галилеевского преобразования, т. к. он противоречит постоянству скорости света, и положили начало специальной теории относительности. К принятым двум принципам (постоянства скорости света и эквивалентности всех инерциальных систем отсчета) А. Эйнштейн добавляет принцип инвариантности всех законов природы по отношению к преобразованиям Г. Лоренца. Поэтому во всех инерциальных системах справедливы те же самые законы, а переход от одной системы к другой дается преобразованиями Г. Лоренца. Это значит, что ритм движущихся часов и длина движущихся стержней зависят от скорости: стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света, а ритм движущихся часов замедлится, часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света.

Так из физики были элиминированы ньютоновское абсолютное время, пространство, движение, которые были как бы независимы от движущихся тел и их состояния.

5. Общая теория относительности

В цитируемой уже книге А. Эйнштейн спрашивает: «Можем ли сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливы для всех систем координат, не только для систем, движущихся прямолинейно и равномерно, но и для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу?»[8]. И отвечает: «Это оказывается возможным»[9].

Потеряв в специальной теории относительности свою «независимость» от движущихся тел и друг от друга, пространство и время как бы «нашли» друг друга в едином пространственно-временном четырехмерном континууме. Автор континуума математик Герман Минковский опубликовал в 1908 г. работу «Основания теории электромагнитных процессов», в которой утверждал, что отныне пространство само по себе и время само по себе должны быть низведены до роли теней и только некоторый вид соединения обоих должен по-прежнему сохранять самостоятельность. Идея А. Эйнштейна и состояла в том, чтобы представить все физические законы как свойства этого континуума, как его метрику. С этой новой позиции А. Эйнштейн рассмотрел закон тяготения И. Ньютона. Вместо силы тяготения он стал оперировать полем тяготения. Поля тяготения были включены в пространственно-временной континуум как его «искривление». Метрика континуума стала неевклидовой, «римановской» метрикой. «Кривизна» континуума стала рассматриваться как результат распределения движущихся в нем масс. Новая теория объяснила не согласующуюся с ньютоновским законом тяготения траекторию вращения Меркурия вокруг Солнца, а также отклонения луча звездного света, проходящего вблизи Солнца.

Так из физики было элиминировано понятие «инерциальной системы координат» и обосновано утверждение обобщенного принципа относительности: любая система координат является одинаково пригодной для описания явлений природы.

6. Квантовая механика

Вторым, по мнению лорда Кельвина (У. Томсона), недостающим элементом для завершения здания физики на рубеже XIX–XX в. было серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории оно должно быть непрерывным, континуальным. Однако это приводило к парадоксальным выводам вроде того, что общая энергия, излучаемая черным телом при данной температуре, равна бесконечности (формула Релея-Джина). Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу, что вещество не может излучать или поглощать энергию, иначе как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)

E = h × п,

где п – частота излучения;

h – универсальная константа.

Гипотеза М. Планка была использована А. Эйнштейном для объяснения фотоэффекта. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света, или фотона. Он же предложил, что свет в соответствии с формулой М. Планка обладает одновременно волновыми и квантовыми свойствами. В сообществе физиков заговорили о корпускулярно-волновом дуализме, тем более что в 1923 г. было открыто еще одно явление, подтверждающее существование фотонов, – эффект А. Х. Комптона.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все частицы материи, введя представление о волнах материи. Отсюда можно говорить и о волновых свойствах электрона, например о дифракции электрона, которые и были экспериментально установлены. Однако эксперименты Р. Фейнмана с «обстрелом» электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, с одной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает электрон, т. е. точно определить его координату, а с другой стороны – не исказить картины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе.

Этот эксперимент поставил под вопрос само понятие частицы в классическом смысле точной локализации в пространстве и времени.

Объяснение «неклассического» поведения микрочастиц было впервые дано немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Последний сформулировал закон движения микрочастицы, согласно которому знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот, точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. В. Гейзенберг установил соотношение неопределенностей значений координаты и импульса микрочастицы:

Δх × ΔРx ≥ h,

где Δх – неопределенность в значении координаты;

ΔРx – неопределенность в значении импульса;

h – постоянная Планка.

Этот закон и соотношение неопределенностей получил название принципа неопределенности В. Гейзенберга.

Анализируя принцип неопределенностей, датский физик Нильс Бор показал, что в зависимости от постановки эксперимента микрочастица обнаруживает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Следовательно, эти две природы микрочастиц взаимно исключают друг друга и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга, а их описание на основе двух классов экспериментальных ситуаций (корпускулярной и волновой) является целостным описанием микрочастицы. Существует не частица «сама по себе», а система «частица – прибор». Эти выводы Н. Бора получили название принципа дополнительности.

Неопределенность и дополнительность оказываются в рамках такого подхода не мерой нашего незнания, а объективными свойствами микрочастиц, микромира в целом. Из этого следует, что статистические, вероятностные законы лежат в глубине физической реальности, а динамические законы однозначной причинно-следственной зависимости – лишь некоторый частный и идеализированный случай выражения статистических закономерностей.

7. Релятивистская квантовая механика

В 1927 г. английский физик Поль Дирак обратил внимание на то, что для описания движения открытых к тому времени микрочастиц (электрона, протона и фотона), т. к. они движутся со скоростями, близкими к скорости света, требуется применение специальной теории относительности. П. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики, и теории относительности А. Эйнштейна. Этому уравнению удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и симметричных им античастицах. Это породило вопрос: пуст ли вакуум? После эйнштейновского «изгнания» эфира он казался несомненно пустым.

Современные, хорошо доказанные представления говорят, что вакуум «пуст» только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Это не противоречит и принципу неопределенности, который имеет также выражение ΔЕ × Δt ≥ h. Вакуум в квантовой теории поля определяется как самое низкое энергетическое состояние квантового поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум – это нечто по имени «ничто».

8. На пути построения единой теории поля

В 1918 г. Эмми Нетером было доказано, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. Из этого следует, что закон сохранения энергии является следствием симметрии, существующих в реальном пространстве-времени.

Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях и выделять во всей совокупности преобразований такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.

В современной физике употребляется понятие калибровочной симметрии. Под калибровкой железнодорожники понимают переход с узкой колеи на широкую. В физике под калибровкой первоначально понималось также изменение уровня или масштаба. В специальной теории относительности законы физики не изменяются относительно переноса или сдвига при калибровке расстояния. В калибровочной симметрии требование инвариантности порождает определенный конкретный вид взаимодействия. Следовательно, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия?» В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Все они имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями, являющимися различными представлениями групп Ли. Это позволяет предположить существование первичного суперсимметричного поля, в котором еще нет различия между типами взаимодействий. Различия, типы взаимодействия являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума. Эволюция Вселенной предстает тогда как синергетический самоорганизующийся процесс: в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. Утверждение самоорганизации систем через самопроизвольное нарушение исходного типа симметрии в точках бифуркации и есть принцип синергии.

Конец ознакомительного фрагмента.