Концепции современного естествознания. Конспект лекций Горелов Анатолий
Возможные катастрофические изменения климата, связанные с мировой термоядерной войной, могут привести к так называемой «ядерной зиме», когда дым от пожаров, возникших при ядерных взрывах, может помешать доступу к земной поверхности солнечного света, что приведет к понижению температуры на 20–40 градусов и повлечет гибель человечества и высших животных.
Эта гипотеза возникла во второй половине XX в. на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Ее авторы — английский химик Д. Лавлок и американский микробиолог Л. Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.
Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее системный подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи (он будет подробно рассмотрен ниже).
Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие системы, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.
Суть Гея-гипотезы состоит в том, что Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку — мы обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, справляющегося с внешними влияниями в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.
В то же время «Гея» превращает даже вредные для себя элементы в необходимые и, видимо, может выжить даже после ядерной катастрофы. Эволюция биосферы, по Лавлоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.
Подходя к Гея-гипотезе с биологический позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система.
1. Что изучает геология?
2. Что такое тектоника литосферных плит?
3. Каково строение Земли?
4. Чем занимаются геофизика и геохимия?
5. Чем занимается климатология?
6. Каковы основные особенности Гея-гипотезы?
I. Ответьте на вопросы.
1. Что такое радиоактивный распад и как он влияет на эволюцию Земли?
2. Чем отличается радиоактивный распад от термоядерного синтеза?
3. Что такое глобальная тектоника и как она относится к глобальным проблемам?
4. Что является причиной горообразования и вулканической деятельности?
5. Каково эмпирическое подтверждение расхождения континентов?
6. Как происходит развитие Земли с точки зрения тектоники литосферных плит?
7. Каково строение атмосферы Земли?
8. Чем отличается климат от погоды?
9. Почему сменяются день и ночь, времена года?
10. Почему на экваторе всегда жарко, а на полюсах холодно?
II. Прокомментируйте схему.
Эволюция Земли.
Становление планеты (4,5–3,8 млрд. лет назад) возникновение жизни на Земле (3,8–2 млрд. лет назад) возникновение современной биосферы (2–0,6 млрд. лет назад) палеозой: выход живого вещества на сушу (600–340 млн. лет назад) мезозой (340-70 млн. лет назад) кайнозой (70-3 млн. лет назад) антропоген: появление человека (от 3 млн. лет тому назад).
Вернадский В.И. Химическое строение биосферы. — Различные издания.
Мир вокруг нас. — М., 1983.
Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. — М., 1976.
Уильямс Л. Науки о Земле без тайн. — М., 2009.
Глава 7
Релятивистская физика
В трех последующих главах мы дадим как бы моментальную фотографию современного строения мира. Поможет нам одна из наиболее древних и фундаментальных наук — физика (от греч. «physis» — природа). Стало быть, физика — наука о природе. Физика — главная из естественных наук, поскольку она открывает истины о соотношении нескольких основных переменных, справедливые для всей Вселенной. Ее универсальность обратно пропорциональна количеству переменных, которые она вводит в свои формулы.
Как атомы и элементарные частицы — «кирпичики» мироздания, так законы физики — «кирпичики» познания. «Кирпичиками» познания законы физики выступают не только потому, что в них используются некоторые основные и универсальные переменные и постоянные, действующие во всей Вселенной, но также и потому, что в науке действует принцип редукционизма, согласно которому все законы развития сложных уровней реальности должны быть сводимы к законам более простых уровней.
Скажем, законы воспроизводства жизни в генетике раскрываются на молекулярном уровне как законы взаимодействия молекул ДНК и РНК. Согласованием законов различных областей материального мира занимаются специальные пограничные науки, такие как молекулярная биология, биофизика, биохимия, геофизика, геохимия и т. д. Очень часто новые науки образуются как раз на стыках традиционных дисциплин.
Относительно сферы применимости принципа редукционизма в методологии науки ведутся ожесточенные споры, но само объяснение как таковое всегда предполагает сведение объясняемого на более глубокий понятийный уровень. В этом смысле наука подтверждает свою рациональность.
Физики утверждают, что ни одно тело во Вселенной не может не подчиняться закону всемирного тяготения, а если его поведение противоречит данному закону, значит, вмешиваются другие закономерности. Самолет не падает на землю, космический корабль преодолевает земное тяготение за счет применения реактивного двигателя, точного расчета при конструировании, использования специальных видов топлива. Полет самолета, космического корабля не отрицает закона всемирного тяготения, а использует факторы, которые нейтрализуют его действие.
Можно отрицать философию, религию, мистику, и это признается нормальным. Но с подозрением посмотрят на человека, который выразит сомнение в справедливости закона всемирного тяготения. В этом смысле можно сказать, что законы физики лежат в основании научного постижения действительности.
Два обстоятельства мешают понять современную физику: 1) применение сложнейшего математического аппарата, который надо предварительно изучить (А. Эйнштейн сделал попытку преодолеть эту трудность, написав учебник, в котором нет ни одной формулы); 2) невозможность создать наглядную модель современных физических представлений (искривленное пространство; частицу, одновременно являющуюся волной, и т. д.).
Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Как-будто такой вывод должен противоречить тому, что современная наука, и физика прежде всего, основывается на эксперименте, т. е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведен в любое время любое число раз. Но дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение. Механика Аристотеля покоилась на принципе: «Движущееся тело останавливается, если сила прекращает свое действие на него». Он казался соответствующим реальности просто потому, что не замечалось, что причиной остановки тела является трение. Для того, чтобы сделать правильный вывод, потребовался эксперимент, который был не реальным, невозможным в данном случае, а идеальным.
Такой эксперимент провел великий итальянский ученый Г. Галилей, автор «Диалога о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632). Для того, чтобы данный мысленный эксперимент стал возможным, потребовалось представление об идеально гладком теле и идеально гладкой поверхности, исключающей трение. Эксперимент Галилея, позволивший сделать вывод, что, если ничто не будет влиять на движение тела, оно сможет продолжаться бесконечно долго, стал основой классической механики И. Ньютона (вспомним три закона движения из школьной программы физики). В 1686 г. Ньютон предоставил Лондонскому королевскому обществу свои «Математические начала натуральной философии», в которых сформулировал понятия массы, инерции, ускорения, основные законы движения и закон всемирного тяготения. Так, благодаря мысленным экспериментам стала возможной новая механистическая картина мира.
Возможно, на знаменитые мысленные эксперименты Галилея подвигло создание гелиоцентрической системы мира выдающимся польским ученым Н. Коперником (1473–1543), ставшее еще одним примером отказа от непосредственной наглядности. Главный труд Коперника «Об обращении небесных миров» подвел итог его наблюдениям и размышлениям над этими вопросами в течение более 30 лет. Датский астроном Т. Браге (1546–1601) ради спасения наглядности выдвинул в 1588 г. гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты, за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее обращаются Солнце с планетами и Луна. И только И. Кеплер (1571–1630), установив (первые два в 1609, третий — в 1618 г.) три закона планетарных движений, названных его именем, окончательно подтвердил справедливость учения Коперника.
Итак, прогресс науки Нового времени определили идеализированные представления, порывающие с непосредственной реальностью. Однако физика XX в. заставляет отказаться не только от непосредственной наглядности, но и от наглядности как таковой. Это препятствует представлению физической реальности, но позволяет лучше осознать справедливость слов Эйнштейна: «Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и не однозначно определены внешним миром В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его нблюдения»[51].
Отказ от наглядности научных представлений является неизбежной платой за переход к исследованию уровней реальности, не соответствующих эволюционно выработанным механизмам человеческого восприятия.
Еще в классической механике был известен принцип относительности Г. Галилея: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой»[52]. Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил»[53].
В начале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив не только в механике, но также в оптике и электродинамике. Расширив свое значение, он теперь звучал так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Или: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.
После того как физики отказались от представления о существовании эфира как всеобщей среды, рухнуло представление об эталонной системе отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным. Теория относительности утверждает, что все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества перед другими (относительно которой эфир был бы неподвижен).
Переход от одной инерциальной системы к другой осуществлялся в соответствии с преобразованиями Х. Лоренца. Однако экспериментальные данные о постоянстве скорости света, полученные путем сравнения лучей, идущих от подвижных и неподвижных звезд, привели к парадоксу, для разрешения которого понадобилось введение принципиально новых представлений.
Поясним сказанное на следующем примере. Предположим, что мы плывем на корабле, движущемся прямолинейно и равномерно относительно берега. Все законы движения остаются здесь такими же, как на берегу. Общая скорость движения будет определяться суммой движения на корабле и движения самого корабля. При скоростях, далеких от скорости света, это не приводит к отклонению от законов классической механики. Но если наш корабль достигнет скорости, близкой к скорости света, то сумма скорости движения корабля и на корабле может превысить скорость света, чего на самом деле не может быть, так как в соответствии с экспериментом Майкельсона-Морли «скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от того, движется ли излучающий источник или нет, и независимо от того, как он движется»[54].
Пытаясь преодолеть возникшие трудности, в 1904 г. Х. Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения (причем коэффициент сокращения зависит от скорости тела) и что в различных системах отсчета измеряются кажущиеся промежутки времени. Но в следующем году А. Эйнштейн истолковал кажущееся время в преобразованиях Лоренца как истинное.
Как и Галилей, Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна». «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью С в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость С + V»[55]. Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.
Рассматривая это противоречие, Эйнштейн предложил отказаться от представления об абсолютности и неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит обыденному опыту, поскольку этих изменений мы непосредственно не наблюдаем и не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но наука совсем не обязательно должна следовать здравому смыслу и неизменным формам чувственности. Главный критерий для нее — соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята. В свое время и представления о том, что Земля круглая и движется вокруг Солнца, тоже казались противоречащими здравому смыслу и наблюдению, но именно они оказались справедливыми.
Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались однородность — одинаковость свойств во всех точках и изотропность — независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное (длина, ширина, высота), а время — как одномерное и идущее в одном направлении: от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.
В истории науки известны две концепции пространства: пространство как неизменное вместилище материи (И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (Г. Лейбниц). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.
Из специальной теории относительности следует, что длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нем процессов не абсолютные, а относительные величины. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него. «Стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света… часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света»[56].
Экспериментально подтверждено, что частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно нее частице как сферическая, а по отношению к налетающей на нее с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного р-мезона составляет примерно 10-8 с, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Итак, пространство и время — общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.
Изменения в представлении о пространстве и времени, внесенные теорией относительности, отражены в таблице 1.
Таблица 1. Различия равновесной и неравновесной областей.
Примечание: знак «?» означает, что наука не имеет пока ответов на эти вопросы.
Общая теория относительности внесла дальнейшие изменения в представления о пространстве и времени, о чем речь пойдет в следующем разделе.
Найденное Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна. Понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.
В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не инерциальны. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила механистический закон всемирного тяготения И. Ньютона на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некоторой степени аналогичен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла»[57]. И здесь физика перешла от вещественной теории к полевой.
Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов»[58]. Представление о поле как еще одном, наряду с веществом, виде материи победило механицизм, имевший дело лишь с веществом.
Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протекший»[59]. Это существенно новый момент естественнонаучной картины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве и аналогичным образом действует гравитационное поле. «Сила тяготения распространяется со скоростью света, и только частицы, не имеющие массы, могут двигаться с этой максимальной скоростью»[60].
Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.
При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В евклидовой геометрии, созданной древнегреческим математиком Евклидом (ок. 330–275 до н. э.), поверхности представляют собой плоскости, и основывается эта геометрия на пяти основных аксиомах. В неевклидовой геометрии, первую из которых создал русский ученый Н.И. Лобачевский (1792–1856), поверхности вогнутые или выпуклые. В них не действует пятая аксиома о непересечении параллельных линий и, соответственно, меняются все основные соотношения. Так, например, сумма углов треугольника становится меньше или больше 180°. Графически это изображено на рис. 4.
Рис. 4. Углы треугольника в евклидовой (а) и неевклидовой (б, в) геометрии, где S — сумма углов треугольника.
До создания теории относительности считалось само собой разумеющимся, что пространство Вселенной может быть представлено тремя плоскостями (измерениями): длина, ширина, высота и геометрия пространства подчиняются соотношениям Евклида. Теория относительности, связавшая свойства пространства со свойствами находящейся в нем материи, ввела понятие кривизны пространства. Коэффициент кривизны зависит от силы тяготения в данной точке пространства. Суть гравитации, по Эйнштейну, в искривлении пространства и времени. Структура пространства и времени деформируется, как резинка, на которую положен шар, и более легкое тело будет двигаться вокруг этого шара, как бы в ложбинке, следуя линии наименьшего сопротивления. Искривление времени означает, что скорость его хода изменяется от одной точки к другой. Таким образом, гравитационное взаимодействие передается кривизной пространства и времени. Экспериментальным подтверждением общей теории относительности послужило обнаружение отклонения света, идущего от дальних звезд в поле тяготения Солнца (1919).
В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механика остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.
Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временнм четырехмерном континууме.
Теория относительности связала также массу и энергию соотношением Е = МС2, где С — скорость света. В теории относительности «два закона — закон сохранения массы и сохранения энергии — потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы»[61]. Явление аннигиляции, при котором частица и античастица взаимно уничтожают друг друга, и другие явления физики микромира подтверждают данный вывод.
Итак, теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит, таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс (следствие отмеченного еще Галилеем свойства всех тел падать в поле тяготения с одним и тем же ускорением независимо от их состава и массы).
До XX в. были открыты законы функционирования вещества (И. Ньютон) и поля (Д. Максвелл). В XX в. неоднократно предпринимались попытки создать единую теорию, в которой соединились бы вещественные и полевые представления. Сейчас на эту роль претендует теория струн, о которой речь пойдет дальше.
В заключение приведем слова из книги В. Гейзенберга «Часть и целое» о том, что же означает понимание как таковое. «„Понимать“ — это, по-видимому, означает овладеть представлениями, концепциями, с помощью которых мы можем рассматривать огромное множество различных явлений в их целостной связи, иными словами, „охватить“ их. Наша мысль успокаивается, когда мы узнаем, что какая-нибудь конкретная, кажущаяся запутанной, ситуация есть лишь частное следствие чего-то более общего, поддающегося тем самым более простой формулировке. Сведение пестрого многообразия явлений к общему и простому первопринципу, или, как сказали бы греки, „многого“ к „единому“, и есть как раз то самое, что мы называем „пониманием“. Способность численно предсказать событие часто является следствием понимания, обладания правильными понятиями, но она непосредственно не тождественна пониманию»[62].
1. Что такое физикализм и редукционизм?
2. Что такое принцип относительности?
3. Как понимаются пространство и время в современной науке?
4. Что такое физическое поле?
5. Чем общая теория относительности отличается от специальной?
6. Как соотносятся в теории относительности масса и энергия?
I. Ответьте на вопрсы.
1. Какую ошибку допустил Аристотель, формулируя закон движения?
2. Как наука связана с проблемой наглядности?
3. Чем различаются философское, мифологическое, физическое и психологическое пространство и время?
4. Чем измеряется интерсубъективное время?
5. В каком смысле можно говорить об относительности физического времени?
6. Чем заменено в теории относительности пространство и время?
7. В виде какой фигуры вы представляете себе пространство — куб с плоскими гранями или как-то еще?
8. Зачем нужна единая теория поля?
9. Притягиваются ли люди друг к другу?
10. Как изменила научную картину мира современная физика?
11. В чем значение для современной картины мира понятия вероятности, времени, эволюции?
12. Как с точки зрения современной физики появляются вещи?
13. Каковы свойства времени (однородность, однонаправленность, одноразмерность)?
14. Существуют ли пространство и время без материи? Если убрать материю, останутся ли пространство и время?
15. Каковы свойства пространства (трехмерность, однородность, изотропность)?
16. Чем интерсубъективное пространство и время отличаются от субъективного?
17. Если образы играют в науке важную роль, то какое значение для познания имеет ненаглядность современной физики?
18. Если все развивается, то справедливы ли универсальные законы физики?
19. Как вы можете представить себе искривленное пространство: в виде кривых зеркал в комнате смеха или как-то еще?
II. Прокомментируйте высказывания.
«Всякое тело сохраняет состояние движения до тех пор, пока на него действует какая-либо сила» (Аристотель).
«Что такое теория относительности? — Раньше думали, что если всю материю убрать, то пространство и время останутся. Теория относительности считает, что без материи и их не будет» (А. Эйнштейн).
«Было показано, что категории пространства и времени в сновидениях становятся модифицированными таким образом, который в некоторой степени напоминает отказ от пространства и времени в мифах» (М. Элиаде).
«Тюрьма: ограничение в пространстве, компенсируемое увеличением во времени» (И. Бродский).
«Для Эйнштейна, как и для Аристотеля, время и пространство находятся во Вселенной, а не Вселенная „находится во“ времени и пространстве» (А. Койре).
«Какое место занимает картина мира физиков-теоретиков среди всех возможных таких картин? Благодаря использованию языка математики эта картина удовлетворяет высоким требованиям в отношении строгости и точности выражения взаимозависимостей. Но зато физик вынужден сильно ограничивать свой предмет, довольствуясь изображением наиболее простых, доступных нашему опыту явлений, тогда как все сложные явления не могут быть воссозданы человеческим умом с той точностью и последовательностью, которые необходимы физику-теоретику.
Высшая аккуратность, ясность и уверенность — за счет полноты. Но какую прелесть может иметь охват такого небольшого среза природы, если наиболее тонкое и сложное малодушно оставляется в стороне? Заслуживает ли результат столь скромного занятия гордого названия „картины мира“? Я думаю — да, ибо общие положения, лежащие в основе мысленных построений теоретической физики, претендуют быть действительными для всех происходящих в природе событий. Путем чисто логической дедукции из них можно было бы вывести картину, т. е. теорию всех явлений природы, включая жизнь, если этот процесс дедукции не выходил бы далеко за пределы творческой возможности человеческого мышления. Следовательно, отказ от полноты физической картины мира не является принципиальным» (А. Эйнштейн).
«Уместно спросить: каково значение ньютоновского синтеза в наши дни, после создания теории поля, теории относительности и квантовой механики? Это — сложная проблема, и мы к ней еще вернемся. Теперь нам хорошо известно, что природа отнюдь не „комфортабельна и самосогласованна“, как полагали прежде. На микроскопическом уровне законы классической механики уступили место законам квантовой механики. Аналогичным образом на уровне Вселенной на смену ньютоновской физике пришла релятивистская физика. Тем не менее классическая физика и поныне остается своего рода естественной точкой отсчета. Кроме того, в том смысле, в каком мы определили ее, т. е. как описание детерминированных, обратимых, статичных траекторий, ньютоновская динамика и поныне образует центральное ядро всей физики» (А. Эйнштейн).
«Мы так привыкли к законам классической динамики, которые преподносятся нам едва ли не с младших классов средней школы, что зачастую плохо сознаем всю смелость лежащих в их основе допущений. Мир, в котором все траектории обратимы, — поистине странный мир. Не менее поразительно и другое допущение, а именно допущение полной независимости начальных условий от законов движения» (А. Эйнштейн).
III. Прокомментируйте схемы.
1. Структура современной физики.
2. Современные представления о пространстве и времени.
Грин Б. Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. — М., 2008.
Оппенгеймер Р. Летающая трапеция. — М., 1967.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986.
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. — М., 1965.
Глава 8
Квантовая механика
В обычном, окружающем нас, макромире энергия может возрастать или убывать непрерывно. Например, когда какой-либо объект падает, его потенциальная энергия непрерывно уменьшается до того момента, когда падение прекратится. Но когда физики начали изучение микромира — мира атомов и элементарных частиц — они обнаружили необыкновенные свойства и, в частности, то, что энергия в микромире возрастает и убывает определенными неделимыми порциями. Отсюда стало ясно, что для объяснения процессов в микромире необходима новая теория взамен классической, созданной Ньютоном. Эта теория и получила название квантовой механики.
Квантовая механика — это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Немецкий ученый М. Планк в 1900 г. предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии — квантами и математически представил это в виде формулы Е = hv, где V — частота света, а h — универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.
Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике, и даже теории относительности, представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.
Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Проведя какие-либо эксперименты с электроном, мы не будем всегда получать одинаковые результаты. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно предположить, что часть их проходит через одно отверстие, часть — через другое. Законы квантовой механики — законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества. — А.Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать… почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель»[63]. В микромире господствует статистика, т. е. можно определить лишь средние значения большого числа объектов, как это имеет место в статистике.
Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят о вероятности встретить электрон в том или ином месте.
В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов»[64].
В первой модели атома, построенной на основе экспериментального обнаружения квантования света, Н. Бор (1913) объяснил это явление тем, что излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую, при этом рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней, между которыми осуществлялся переход. Так возникает линейчатый спектр — основная особенность атомных спектров (в спектрах оказываются волны лишь определенных длин).
Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл. Поведение потока частиц — электронов, атомов, молекул — при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т. п. Л. де Бройль предположил, что электрон — это волна определенной длины.
Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц — квантовую. Это получило название корпускулярно-волнового дуализма. Как же описывать процессы в микромире, если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий — волновую или квантовую»[65]?
Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, некоторые другие — квантовой, поэтому следует использовать разные формулы и из волновой, и из квантовой теории для более полного описания процессов — таков смысл принципа дополнительности Н. Бора. «Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления возможно исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме»[66].
С принципом дополнительности связано и так называемое соотношение неопределенностей, сформулированное в 1927 г. В. Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение.
Соотношение неопределенностей гласит, что для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц.
В более общем плане можно сказать, что только часть относящихся к квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные значения, остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому ни в одной квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические величины.
Энергию системы также можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины. Причина этого — во взаимодействии системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергии возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этом выводе и основана гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума». В соответствии с нею вакуум рассматривается как виртуальный (т. е. возможный; это понятие возникло в квантовой механике и в настоящее время стало очень модным) мир, в котором возможно спонтанное возникновение энергетического потенциала, преобразующегося затем в вещество. Следует обратить внимание на слово «спонтанное». Оно соответствует еще одному принципу, введенному в квантовой механике, — принципу индетерминизма. В классической науке господствовал принцип детерминизма (от лат. «dterminre» — определять), в соответствии с которым каждое событие является следствием какой-либо причины. Невозможны события, не имеющие причины. Схематически это изображается так:
П С,
где П — причина, а С — следствие. Статистический характер квантовой механики заставляет признать, что одна причина может иметь разные следствия
С1 П С2
и к одному следствию могут вести разные причины
П1 С П2
(это получило название неоднозначного детерминизма). Дальнейшее продвижение по этому пути приводит к принципу индетерминизма, т. е. к отрицанию того, что все события должны обязательно иметь причину.
Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как писал Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет»[67]. Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а во-вторых, представление о субъект-объектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы»[68]. Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние неустранимо в ходе эксперимента, и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:
1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;
2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света);
3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;
4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее;
5) точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы.
По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя, во-первых, найти истину безотносительно от измерительного прибора; во-вторых, знать одновременно и положение, и скорость частиц; в-третьих, установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или с волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX века.
Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10-8 см, а ядра — 10-12 см. Масса протона больше массы электрона примерно в 2 000 раз. Плотность ядра — 1014 г/см3. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий, в миллионы раз превосходящих энергию химических процессов.
В XX в. открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Элементарные частицы можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.
Английский ученый П. Дирак предсказал существование античастиц с той же массой, что и частицы, но с зарядом противоположного знака. На ускорителях высоких энергий получены позитроны (античастицы электронов) в 1932 г. и антипротоны в 1955 г. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов — безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица — античастица».
Изучают свойства атомов и элементарных частиц на гигантских ускорителях (первый построен в 1929 г. в Англии), в которых частицы двигаются по спирали. Современный ускоритель представляет собой установку в полкилометра в окружности и строятся ускорители еще более мощные.
Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» (по Аристотелю), которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной реальностью.
Понятия «химический элемент» и «элементарная частица» свидетельствуют о том, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово «элемент» (неделимый), и для частиц, из которых состоят протоны и нейтроны, взяли ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения — «кварк». Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части.
Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. В 1994 г. обнаружен последний из шести разновидностей самый тяжелый кварк. Будет ли конец возможности расщепления, определит прогресс научного знания. Пока нижним теоретически предсказанным уровнем считается уровень струн, от которых произошли и элементарные частицы, и физические поля.
Известны четыре основных физических взаимодействия (или силы), которые определяют структуру нашего мира: гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые.
Гравитационное взаимодействие — первое, которое было открыто, и оно составляет физическую основу закона всемирного тяготения. Первоначальное название этого взаимодействия — сила тяготения, или притяжения. Но так как понятие силы относится к одностороннему воздействию, а в реальности не одно тело, имеющее большую массу, действует на другое, а все тела притягиваются друг к другу, то понятие взаимодействия более точно отражает суть процесса. За счет гравитационного взаимодействия существуют звездные системы. Если бы его не было, то планеты могли бы «не захотеть» вращаться вокруг звезд. Именно гравитационное взаимодействие создает тот порядок (космос, по-гречески), благодаря которому существуют не только звездные системы, но и образуются все крупные тела из диффузного вещества.
Электромагнитное взаимодействие во много раз сильнее гравитационного. Это необходимо для того, чтобы могли существовать атомы вещества. «Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать»[69]. При электромагнитном взаимодействии происходит испускание и поглощение «квантов света» — фотонов. Электромагнитное взаимодействие необходимо для создания и соединения атомов и молекул. Ядро атома, в котором находятся протоны и нейтроны, заряжено положительно, и оно притягивает отрицательно заряженные электроны, которые вращаются вокруг него.
Сильное взаимодействие возможно только на малых расстояниях (радиус примерно 10-13 см), оно короткодействующее в отличие от длиннодействующих гравитационных и электромагнитных. Сильное взаимодействие отличается от трех других основных взаимодействий также тем, что при удалении друг от друга взаимодействующих частиц оно не ослабевает, а возрастает.
Сильное взаимодействие открыто Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра, которое и существует благодаря сильному взаимодействию. Сильное взаимодействие удерживает ядро. Оно передается глюонами (по англ. — клей) и действует на кварки, но не на лептоны (в этом различие между данными элементарными частицами). Из-за сильного взаимодействия кварки существуют только в связанном виде в составе протонов и нейтронов.
Сильное взаимодействие в 100-1000 раз сильнее электромагнитного. Это необходимо для того, чтобы могли существовать ядра атомов, поскольку в противном случае электромагнитное взаимодействие будет препятствовать их образованию (напомним, что при электромагнитном взаимодействии одинаково заряженные частицы отталкиваются и если бы электромагнитное взаимодействие было сильнее сильного взаимодействия, то положительно заряженные протоны не могли бы соединяться между собой и образовывать ядра атомов). Посредством сильного взаимодействия создаются ядра атомов, а также частицы, из которых состоят ядра атомов — протоны и нейтроны. Ядерные силы действуют в одном направлении как притяжение и не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.
Слабое взаимодействие слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Оно также действует только на очень малых расстояниях в пределах атомного ядра. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия (10-15 см). За счет слабого взаимодействия происходят превращения атомных ядер (в том числе радиоактивный распад), а так как именно такие процессы протекают в недрах звезд, то можно сказать, что за счет слабого взаимодействия светит Солнце (при превращении атома водорода в атом гелия протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью — оно проходит через железную плиту толщиной в миллиард километров. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.
Все четыре типа взаимодействий осуществляются за счет особых частиц — переносчиков взаимодействия, называемых бозонами. Фотон переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон — гравитационные, глюоны — сильные взаимодействия, промежуточные векторные (калибровочные) бозоны — слабые взаимодействия. Характер физических взаимодействий определяется свойствами частиц — переносчиков взаимодействия. Бозоны окружают частицы вещества (фермионы) и взаимодействие последних является результатом взаимного «обстрела» друг друга бозонами. «Если использовать грубую аналогию, это похоже на изменение траектории двух конькобежцев, обстреливающих друг друга градом шаров для боулинга»[70]. Частицы вещества в результате взаимного обстрела могут не только отталкиваться, но и притягиваться друг к другу. Поэтому бозоны как бы передают послания о том, как следует реагировать фермионам. Так, при электромагнитном взаимодействии «частицам, несущим одинаковый заряд, фотон передает сообщение „отдаляйтесь“, а частица с разноименным зарядам — „сближайтесь“ Аналогичным образом глюоны и слабые калибровочные бозоны являются частицами — посланниками сильного и слабого взаимодействия»[71].
Во второй половине XX в. основные усилия физиков-теоретиков сосредоточились на том, чтобы построить теории, объединяющие основные физические взаимодействия. В физике элементарных частиц были созданы так называемая электрослабая теория, объединившая электромагнитные и слабые взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильных взаимодействий), а затем электрослабая теория и квантовая хромодинамика были соединены в теорию великого объединения (так назвали объединение трех негравитационных взаимодействий). Последняя получила также название стандартной модели физики элементарных частиц.
Данные теории позволили сформировать представление об этапах Большого взрыва, каждый из которых начинается при достижении определенной температуры. Дело в том, что при температуре более 1015 градусов электромагнитные и слабые силы становятся идентичными по своим свойствам и объединяются в электрослабые силы, описанные электрослабой теорией. Сильные и электрослабые силы объединяются при температуре 1027. Это описывает теория великого объединения. Обе теории, как и квантовая теория сильных взаимодействий, выдержали экспериментальную проверку.
Одна из главных задач современной физики — создать общую теорию всех четырех физических взаимодействий. На эту роль претендует так называемая теория струн. Ее называют теорией «всего сущего», или «окончательной» теорией. Данные выражения являются метафорическими и смысл их в том, что с помощью теории струн пытаются познать самый глубинный уровень физической реальности, основываясь на котором можно объяснить и все остальные.
Теория струн принципиально отличается от стандартной модели физики элементарных частиц, поскольку предполагает наличие более низкого уровня организации материи — одномерных суперструн, из которых состоят элементарные частицы. Если элементарные частицы — «кирпичики» мироздания, то струны — материал, из которого они сделаны. Теория струн утверждает, что каждая элементарная частица представляет собой крошечную колеблющуюся струну, имеющую форму петли. Петли струн при использовании самого мощного современного оборудования выглядят точками — элементарными частицами. «…длина типичной петли, образованной струной, близка к планковской длине, которая примерно в сто миллиардов миллиардов раз (1020) меньше размера атомного ядра»[72]. Струны, как считают разработчики данной теории, представляют собой «последнюю матрешку» в многочисленных слоях, образующих структуру микромира наподобие букв алфавита.
В соответствии с теорией струн масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны данной частицы. «…каждая частица представляет собой отдельную струну — и все струны являются абсолютно идентичными. Различие между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными „нотами“, исполненными на фундаментальной струне. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества колеблющихся струн, подобна космической симфонии»[73]. Если так, то суть мира оказывается музыкальной, и весь мир, в том числе и человек, состоящим из мелодий.
В соответствии с теорией струн при температуре меньше 1032 градусов струна сжимается в точку (элементарные частицы ведут себя как точечные объекты). При температуре больше 1032 градусов силы великого объединения и гравитации объединяются в суперсилу и начинают проявляться струнные свойства частиц. Теория струн использует представления об 11 измерениях (10 пространственных плюс время). В соответствии с этой теорией возможно, что элементарные частицы и «черные дыры» являются двумя фазами одной струнной материи, как вода и лед — две фазы одного вещества.
Теория струн предполагает наличие неизвестных ныне элементарных частиц, относящихся к классу бозонов и фермионов, и, таким образом, в принципе допускает эмпирическую проверку, которая необходима для того, чтобы теория действительно стала соответствовать своему названию. Есть надежда, что на Большом адронном коллайдере удастся открыть предсказанные частицы и тем самым подтвердить теорию струн.
1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
2. Что такое принцип дополнительности?
3. Каково значение вероятностных методов в квантовой механике?
4. В чем состоит специфика отношения прибор — объект в квантовой механике?
5. Чем вещество отличается от поля?
6. Сколько существует физических взаимодействий и как они называются?
I. Ответьте на вопросы.
1. Чем частица отличается от волны?
2. Чем свет отличается от звука?
3. Какая связь между просвещением в духовном смысле и физическим светом?
4. Какова роль вероятностных методов классической науки и квантовой механики?
5. Что такое химический элемент и чем он отличается от элементарной частицы?
II. Прокомментируйте высказывания.
«Дайте мне начальные данные частиц всего мира, и я предскажу вам будущее мира» (П. Лаплас).
«В 1920-е годы все еще верили в то, что есть только два вида фундаментальных взаимодействий: гравитация и электромагнетизм. Пытаясь объединить их, Эйнштейн в то время мог надеяться сформулировать универсальную физическую теорию. Однако изучение атомного ядра вскоре вскрыло необходимость в двух дополнительных взаимодействиях: сильном — чтобы ядро существовало как таковое, и слабом — чтобы дать ему возможность распадаться» (Ш.Л. Глэшоу).
«Из определения координаты и импульса в квантовой механике следует, что не существует состояний, в которых эти две физические величины (т. е. координата q и импульс р) имели бы вполне определенное значение. Эту ситуацию, неизвестную в классической механике, выражают знаменитые соотношения неопределенности Гейзенберга. Мы можем измерять координату и импульс, но неопределенности в их значениях q и р связаны между собой неравенством Гейзенберга qp > h. Если неопределенность q в положении частицы сделать сколь угодно малой, то неопределенность р в ее импульсе обратится в бесконечность, и наоборот… Соотношение неопределенности Гейзенберга с необходимостью приводит к пересмотру понятия причинности. Мы можем определить координату с абсолютной точностью, но в тот момент, когда это происходит, импульс принимает совершенно произвольное значение, положительное или отрицательное. Это означает, что объект, положение которого нам удалось измерить абсолютно точно, тотчас же перемещается сколь угодно далеко. Локализация утрачивает смысл: понятия, составляющие самую основу классической механики, при переходе к квантовой механике претерпевают глубокие изменения» (А. Эйнштейн).
«Нам приходится решать, какое измерение мы собираемся произвести над системой и какой вопрос наши эксперименты зададут ей. Следовательно, существует неустранимая множественностьпредставлений системы, каждое из которых связано с определенным набором операторов. В свою очередь это влечет за собой отход квантовой механики от классического понятия объективности, поскольку с классической точки зрения существует единственное объективное описание. Оно является полным описанием системы „такой, как она есть“, не зависящим от выбора способа наблюдения. Бор всегда подчеркивал новизну, нетрадиционность позитивного выбора, производимого при квантово-механическом измерении. Физику необходимо выбрать свой язык, свой макроскопический измерительный прибор. Эту идею Бор сформулировал в виде так называемого принципа дополнительности, который можно рассматривать как обобщение соотношений неопределенности Гейзенберга. Мы можем измерить либо координаты, либо импульсы, но не координаты и импульсы одновременно. Физическое содержание системы не исчерпывается каким-либо одним теоретическим языком, посредством которого можно было бы выразить переменные, способные принимать вполне определенные значения. Различные языки и точки зрения на систему могут оказаться дополнительными. Все они связаны с одной и той же реальностью, но не сводятся к одному-единственному описанию. Неустранимая множественность точек зрения на одну и ту же реальность означает невозможность существования божественной точки зрения, с которой открывается „вид“ на всю реальность. Однако принцип дополнительности учит нас не только отказу от несбыточных надежд. Бор неоднократно говорил, что от размышлений над смыслом квантовой механики голова у него идет кругом, и с ним нельзя не согласиться: у каждого из нас голова пойдет кругом, стоит лишь оторваться от привычной рутины здравого смысла. Реальный урок, который мы можем извлечь из принципа дополнительности (урок, важный и для других областей знания), состоит в констатации богатства и разнообразия реальности, превосходящей изобразительные возможности любого отдельно взятого языка, любой отдельно взятой логической структуры. Каждый язык способен выразить лишь какую-то часть реальности. Например, ни одно направление в исполнительском искусстве и музыкальной композиции от Баха до Шенберга не исчерпывает всей музыки» (А. Эйнштейн).
III. Прокомментируйте схему.
Виды физической реальности.
Борн М. Моя жизнь и взгляды. — М., 1973.
Гейзенберг В. Шаги за горизонт. — М., 1987.
Грин Б. Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. — М., 2008.
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюции физики. — М., 1965.
Глава 9
Синергетика
Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, раскрывающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми они называются потому, что в них входит небольшое число независимых переменных, т. е. величин, меняющих свое значение. В связи с этим взаимоотношения между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам.
Однако помимо простых существуют сложные системы, которые состоят из большого числа независимых переменных и, стало быть, большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследовать объект — выводить закономерности его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием эффекта целостности системы.
Сложные системы изучает, например, метеорология — наука о климатических процессах. Процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, можно точно определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, а предсказать погоду на завтра удается далеко не всегда, так как климатические процессы представляют собой гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними.
Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Системы в естествознании также делятся на устойчивые (равновесные) и неустойчивые (неравновесные).
Читать бесплатно другие книги:
