ства элементарных частиц — наименьших порций
материи — мало напоминают то, что можно сказать о
них на основании механистической картины мирозда
ния. В 1927 г. Вернер Гейзенберг показал, что описа
ние поведения элементарных частиц с помощью клас
сических понятий координат, импульса и энергии лишь
приблизительно соответствует их реальным свойствам.
Соответствующее ограничение получило название со
отношений неопределенности Гейзенберга:
Ар-Ах> — И)
2тг
AE-At> — (5)
2тг'
Здесь х— координата частицы, p = mV— ее импульс,
Е — энергия, t — момент времени.
Смысл формул (4) и (5) состоит в том, что нельзя
одновременно точно определить значения координаты
и импульса частицы, а также энергии для данного мо
мента времени.
В классической механике поведение материальной
частицы описывается основным законом динамики
(второй закон Ньютона). Заметим, что Ньютон сфор
мулировал этот закон для материальной точки, которая
имеет массу, но не имеет размера. Как следует из
Тема 5
принципа дуализма волна-частица и соотношений неопределенности,
для описания поведения элементарных
частиц этот закон неприменим. Выход из этого положения
нашел Эрвин Шредингер, который воспользовался
идеей де Бройля, сопоставив движение микрочастицы
с комплексной функцией координат и времени,
которую он назвал волновой и обозначил буквой \Р.
Решение волнового уравнения Шредингера для функции
. характеризует состояние микрочастицы.
Уравнение Шредингера является основным уравнением
квантовой механики. Физический смысл волновой
функции W указал М. Борн. Квадрат модуля Ч?
определяет вероятность того, что микрочастица будет
обнаружена в пределах некоторого объема. Предсказания
квантовой механики, таким образом, в отличие от
классики носят вероятностно-статистический характер.
Переход к квантово-механической картине мира
позволил снять противоречия, возникшие в связи с
«ультрафиолетовой катастрофой». Чтобы сделать понятной
неудачу опыта Майкельсона-Морли по поиску
эфира, потребовалось описать картину мира на языке
теории относительности.
В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике
движущихся тел», в которой заложил
основы специальной теории относительности. Предложенный
им способ решения проблемы состоял в том,
чтобы превратить ее в принцип. В основу своей теории
он положил два постулата: 1. Скорость света в
вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся
равномерно и прямолинейно друг относительно
друга. 2. Во всех таких системах координат одинаковы
все законы природы (принцип относительности).
Из этих постулатов вытекали следствия, ведущие к
радикальному пересмотру классической картины мира.
Во-первых, оказалось, что не существует ни абсолютного
времени, ни абсолютного пространства. Ход времени
зависит от системы координат. Во-вторых, стало
ясно, что законы природы инвариантны относительно
преобразований Лоренца (2)-(3). Отсюда, между прочим,
следовал знаменитый «парадокс близнецов».
В-третьих, оказалось, что с увеличением скорости тела
2В4 кинетическая энергия как бы увеличивает его сопротив
Совремвнная научная картина мирз БИЯ
ление движению, а масса тела при этом возрастает. Отсюда
в свою очередь следовало установленное Эйнштейном
соотношение эквивалентности массы и энергии:
Е = тс2, (6)
где с — скорость света. Стало ясно, что масса и энергия по
существу сходны, это только разные выражения одного
и того же свойства реальности. Формулу (б) можно
рассматривать как обобщенный закон сохранения энергии.
Принято считать, что именно благодаря дефекту
массы при реакции превращения протонов в ядра гелия
в соответствии с формулой (6) в недрах звезд выделяется
достаточное количество энергии, чтобы поддерживать
их существование в течение миллиардов лет.
Четвертое следствие получил Г. Минковский. Он
показал, что в рамках модели мира, соответствующей
теории относительности, пространство и время — это
единый четырехмерный феномен, а не раздельные
автономные сущности.
Осталось решить проблему гравитации. Эту задачу в
1916 г. решил Эйнштейн, создав общую теорию относи
тельности (ОТО). Если для формулирования законов клас
сической механики Ньютону потребовался аппарат диф
ференциального и интегрального исчисления, то в основу
ОТО была положена неевклидова геометрия Римана и
тензорный анализ. Из ОТО следовало, что гравитация —
это искривление пространства вблизи массивных тел.
Картина мира, соответствующая ОТО, содержит
всего две автономные реальности — вещество и поле.
Законы тяготения — это структурные законы, описы
вающие гравитационное поле между материальными
объектами. Между материей и полем в ОТО нет каче
ственного различия: вещество находится там, где кон
центрация поля максимальна, поле — там, где она мала.
Эйнштейн полагал, что в перспективе всю теорию
удастся свести к единственной реальности — полю.
Вселенная, описываемая ОТО, была стационарной.
В 1922 г. А.А. Фридман, анализируя уравнения ОТО,
показал, что теория содержит и нестационарные ре
шения: Вселенная может расширяться. Впоследствии
Эйнштейн признался, что не заметив этого решения, „щ
он совершил самую большую ошибку в своей жизни..«3
»
Тема 5
В 1929 г. Э. Хаббл, наблюдая красное смещение в
спектрах излучения далеких галактик, доказал, что
Вселенная расширяется на самом деле. Зная скорость,
с которой разбегаются галактики, можно было рассчитать,
когда начался этот процесс. Согласно современным
оценкам, это произошло 13,7 миллиардов лет назад.
Событие, которое привело к возникновению Вселенной,
получило название Большой Взрыв.
Интересно оценить масштабы пространства, времени
и энергии, которые соответствуют этой стадии эволюции
нашего мира. Для этого можно воспользоваться
численными значениями фундаментальных констант —
постоянной Планка h = 6,62-10 ~ 2 7 эрге, скоростью света
с = 3-1010 см/с и гравитационной постоянной
G^6,6740-^^l (7)
и рассчитать соответствующую величину этих масштабов:
Ю-ззс, 10-43см, Ю^ГэВ.
Эти величины длины, времени и энергии получили
название планковских масштабов. Их смысл состоит
в том, что они определяют ту границу, до которой
применима современная физическая теория. На меньших
масштабах перестают работать причинно-следственные
связи и ничего нельзя сказать ни о структуре
пространства, ни о поведении времени.
Вакуум, микрочастицы к Вселенная
Из ОТО следует, что наш мир произошел вследствие
Большого Взрыва, причем произошел из вакуума.
Не противоречит ли это утверждение закону сохранения
массы-энергии (6)? Полная масса замкнутой
фридмановской Вселенной, а значит, и ее энергия
равна нулю. Это объясняется тем, что положительная
энергия (масса) Вселенной компенсируется отрицательной
энергией гравитационного взаимодействия
всех ее частей. Энергия вакуума тоже равна нулю,
поэтому рождение из него Вселенной закону сохранения
энергии не противоречит.
Современная научная картина мира
Однако описать этот процесс с помощью ОТО невозможно,
т. к. она не учитывает квантовых эффектов,
которые при планковских масштабах должны играть
главную роль. Для описания свойств мира на этапе его
рождения из вакуума требуется теория квантовой гравитации,
которая находится пока на стадии формирования.
Большинство физиков полагает, что в наибольшей
степени для моделирования этих вопросов подходит теория
суперструн, самый значительный вклад в развитие
которой внес Э. Виттен. Всем известно, что такое обычная
струна, способная колебаться с разными частотами.
Суперструна— это топологическое обобщение этого
простого образа, объединяющее бесконечное число полей.
Эта теория дает ответ на вопрос, откуда и каким
образом возникают фундаментальные взаимодействия —
гравитационные, электромагнитные и ядерные — сильные
и слабые. Их источником является многомерная
топология. Согласно теории, при очень больших энергиях
все разновидности взаимодействий объединяются в
универсальный тип — Супергравитацию. Развитие этих
представлений может в дальнейшем значительно изменить
современные взгляды на структуру мира.
Существуют ли прямые экспериментальные подтверждения
феномена Большого Взрыва, помимо численных
оценок, следующих из модели Фридмана и
закона-Хаббла? В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон открыли
реликтовое излучение с температурой 3,5 ° К,
равномерно поступающее из далеких глубин Вселенной.
А согласно теории Г. Гамова, температура Вселенной,
которая на стадии Большого Взрыва была очень
высока, в результате последующего расширения должна
была обусловить возникновение к настоящему
времени холодного фонового излучения с температурой
около 5 ° К. После этого открытия теория Большого
Взрыва стала почти общепризнанной.
Как развивалась история Вселенной на самых
ранних стадиях рождения нашего мира, когда его размеры
были много меньше протона? На этот вопрос
отвечает весьма экзотическая теория инфляции, или
раздувания, предложенная А. Гутом и А.Д. Линде. Согласно
этой теории, за время порядка Ю -3 3 с Вселенная
раздувается до размеров, близких к современным, а 267
Тема 5
микронеоднородности, порожденные квантовыми флуктуациями
(см. формулу 5), могли послужить гравитационными
зародышами, из которых позже выросли звезды
и галактики. Благодаря этой теории делается более
понятным и вопрос, откуда взялась энергия, необходимая
на создание материи. Ее источником послужила огромная
гравитационная энергия молодой Вселенной. Вот
как описывает этот процесс один из авторитетных специалистов
по космологии С. Хокинг: «Вселенная взяла
в долг огромное количество отрицательной гравитационной
энергии, которая точно уравновесила положительную
энергию материи. Во время инфляции Вселенная
брала огромные долги у гравитационной энергии, чтобы
финансировать создание новой материи. В результате
восторжествовала кейнсианская экономика: получилась
сильная экспансивная Вселенная, полная материальных
объектов. А долг гравитационной энергии не
будет погашен до конца Вселенной».
Ничто, Пустота, из которой родились Вселенная, —
это не тот вакуум, который в 1644 г. был открыт учениками
Галилея Э. Торричелли и В. Вивиани. Это был
совсем другой пласт реальности — физический, или
квантовый, вакуум, открытый в 1928 г. П.А.М. Дираком.
Ему удалось обобщить уравнения квантовой механики
на случай скоростей, близких к скорости света.
Из его теории следовало, что электрон, как и все остальные
элементарные частицы, может обладать не
только положительной, но также и отрицательной энергией.
Понять физический смысл этого предсказания
теории было непросто. Чтобы разобраться в этом вопросе,
Дирак воспользовался тем обстоятельством, что
помимо массы и заряда, электрон обладает и третьей
столь же фундаментальной характеристикой — спином.
Спин, что по-английски означает «кручение», «волчок
» — это квантовое число, равное собственному моменту
количества движения частицы. Для электрона
спин может иметь только одно из двух значений
5 = ± 1 / 2.
Для подобных частиц с полуцелым спином известен
принцип запрета, сформулированный В. Паули: в
268 квантовой системе на одном энергетическом уровне
Современная научная картина мира
могут находиться лишь две частицы с противоположно
направленными спинами. Дирак воспользовался этим
правилом и предположил, что в области отрицательной
энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на
них электроны представляют собой квантовый вакуум.
Этот феномен получил название «вакуумного моря»
Дирака. Однако если на это «море» направить мощный
импульс гамма-излучения, то получивший его электрон
приобретет положительную энергию и перейдет в реальный
мир. В «море» остается «дырка», во всем похожая
на электрон, только заряд у нее будет положительным
— это следствие закона сохранения заряда.
В 1932 г. К. Андерсон, исследуя космические лучи,
открыл эту «дырку» и назвал ее позитроном. Андерсон
получил за свое открытие Нобелевскую премию, а Дирак
— подтверждение своей теории о квантовом вакууме.
В 1980 г. А.Е. Акимов предложил новую теоретическую
модель квантового вакуума. В основу этой модели он
положил два постулата. Во-первых, предполагается, что
каждый элемент Вселенной — независимо оттого, содержит
он материальные тела или их там нет, — заполнен
свертками из круговых волн электронов и позитронов.
Такая свертка, очевидно, обладает нулевым суммарным
зарядом; равен нулю у нее и спин, т. к. спины образующих
ее частиц направлены навстречу друг к другу.
Второй постулат состоит в том, что нулю равна и
суммарная масса свертки. Это следствие закона сохранения
массы-энергии (6): при образовании свертки ее
масса преобразуется в энергию пары гамма-квантов.
Акимов предложил называть эту квантовую систему,
имеющую нулевые значения массы, заряда и спина,
фитоном. Заметим, что предсказание о неизбежности
взаимной аннигиляции электрона и позитрона при их
встрече следует из релятивистской теории Дирака.
Фитонная модель квантового вакуума позволяет поновому
объяснить возникновение фундаментальных
взаимодействий. Поставим мысленный эксперимент —
поместим заряженное электрически тело в фитонный
вакуум. Следствием этого будет зарядовая поляризация
фитонов, электрические заряды, образующие
свертку, уже не будут полностью компенсировать друг
друга, а немного сместятся в направлении внешнего ТОО
Тема 5
поля. Каждая частица начнет раскачиваться вверх и
вниз относительно уровня минимальной энергии. Такую
зарядовую поляризацию фитонного вакуума можно
интерпретировать как электромагнитное поле.
Если в качестве источника возмущения вакуума
выбрать не заряд, а массу, то система фитонов приобретет
продольную спиновую ориентацию, которая будет
соответствовать гравитационному полю. А что произойдет,
если источником возмущения будет тело, создающее
угловой момент вращения, например, детская игрушка —
волчок? Вакуум немедленно отзовется на это — произойдет
поперечная спиновая ориентация фитонов.
Оказывается, таким образом, что электромагнитное
поле можно понимать как зарядовую поляризацию
вакуума, а гравитационное — как продольные упорядоченные
по спину состояния фитонов. В третьем эксперименте
мы получили принципиально новый тип
фундаментальных взаимодействий — кручение вакуума.
Этот тип взаимодействий получила название торсионного
(torsion означает кручение).
Существование торсионных полей еще в 1922 г.
постулировал Э. Картан. Однако в его теории не учитывались
спиновые эффекты и, кроме того, его уравнения
не содержали угловых координат. Поэтому он
не смог правильно оценить константу этих взаимодействий.
Эта задача была в 1980-х гг. решена Г.И. Шиповым,
который разработал теорию физического вакуума,
используя геометрию ученика Г. Римана Риччи,
содержащую угловые координаты. Теория Шипова не
содержит ограничений на величину константы торсионных
взаимодействий. Факт существования в природе
этого нового типа полей к настоящему времени
подтвержден в многочисленных экспериментах.
Физические свойства торсионных полей уникальны.
Во-первых, взаимодействие торсионных квантовых
вихрей носит не энергетический, а чисто информационный
характер и, следовательно, на них не распространяется
следующий из теории относительности запрет
на существование свехсветовых скоростей. Для торсионных
полей этот запрет снимается по той причине, что
они обладают свойством нелокальности. Во-вторых, по
той же самой причине /а,ля их интенсивности отсутству
Современная научная картина мира |
ет обратная зависимость от квадрата расстояния, как в
случае электромагнитных и гравитационных полей. По
этим причинам торсионные поля — идеальное средство
для связи на межзвездных расстояниях. О возможности
использовать их для этой цели свидетельствуют эксперименты,
проведенные в разное время Н.А. Козыревым,
М.М. Лаврентьевым и А.Ф. Пугачем.
Любое твердое тело, поскольку оно представляет
собой ансамбль элементарных частиц, обладающих спином,
при ускоренном движении вносит возмущение в
«фитонное море», приводя к его поляризации по массе.
Это также торсионный эффект, но проявляется он уже
не в виде возбуждения торсионных полей, несущих информацию,
но не энергию, а в форме возникновения всем
хорошо известных сил — сил инерции. Становится, таким
образом, ясным механизм возникновения этих сил,
триста лет остававшийся нераскрытым. Понятным становится
и «внутреннее» родство сил инерции и гравитации,
а также равенство инерционной и гравитационной
масс — они обусловлены одними и теми же эффектами
искривления и кручения физического вакуума.
Механизм возбуждения электромагнитных и торсионных
полей также обладает сходными чертами. Это
приводит к возникновению еще одного типа комбинированных
полей — электроторсионных. Эти поля тоже
наблюдаются в экспериментах.
Рассмотрим энергетические свойства квантового
вакуума. Из соотношения неопределенности (5) и закона
сохранения массы-энергии (6) можно рассчитать
промежуток времени, соответствующий массе электрона:
At= 10~21с Смысл этих расчетов с точки зрения
классической механики кажется безумным: в течение
столь малых промежутков времени энергия вакуума
испытывает достаточно большие колебания, чтобы за
это время из него рождались электроны — и все прочие
элементарные частицы.
Такие частицы назвали виртуальными. Индивидуально
они никак не проявляют себя, но как системный ансамбль
вполне заметно влияют на различие свойства материи
(магнитный момент электрона, спектральные характеристики
атомов и др.). Таким образом, этот вакуумный
виртуальный «туман» — совершенно реальный феномен.
Тема 5
Флуктуации энергии квантового вакуума, определенные
формулами (5) и (6) имеют бесконечно широкий
диапазон частот. Если взять интеграл по всем частотам,
то получим бесконечно большую величину энергии.
Не находя этому факту объяснения, теоретики
предложили принимать ее за нулевой уровень энергии
квантового вакуума.
Поэтому есть основания думать, что именно сложные
структуры квантового вакуума — та первооснова,
которая определяет фундаментальные свойства нашего
мира в целом. Используя эту идею, Дж. Уилер
оценил минимальную величину флуктуации энергии
квантового вакуума. Чтобы провести этот несложный
расчет, он воспользовался численными значениями
планковских масштабов (7) — и получил умопомрачительную
величину:
Е=1(^5г/смЗ=1011бЭрг/смЗ. (8)
Эти экстремальные оценки позволили Уилеру утверждать,
что окружающий нас мир вещества, заполняющего
Вселенную во всех его формах, буквально погружен в
океан вакуума, насыщенный энергией. Все события, которые
мы наблюдаем в нашем материальном мире, — не
боле, чем легкая рябь на поверхности этого океана.
Нелинейная Вселенная
Первая научная картина мира была построена
Исааком Ньютоном. Несмотря на внутреннюю парадоксальность,
она оказалась удивительно плодотворной,
на долгие годы предопределив самодвижение научного
познания мира. В этой удивительной Вселенной не
было места случайностям, все события были строго
предопределены жестким законом причинности. А у
времени было еще одно странное свойство: из уравнений
классической механики следовало, что во Вселенной
не изменится ничего, если оно вдруг начнет течь
в противоположном направлении.
Все было бы хорошо, если бы не одна особенность
реального мира — его склонность к хаотическим состояниям.
Хаос — это enfante terrible классической теории.
Современная научная картина мира
—
С точки зрения классики — это нонсенс, то, чего
быть не может. Открытия термодинамики заставили
посмотреть на проблему по-иному: был сделан вывод,
что хаос, состояние «тепловой смерти» — это неизбежное
конечное состояние мира.
Стало ясно, что не найдя научного подхода к изучению
явлений хаоса, мы заведем научное познание
мира в тупик. Существовал простой способ преодоления
этих трудностей: следовало превратить проблему
в принцип. Хаос — это свободная игра факторов, каждый
из которых, взятый сам по себе, может показаться
второстепенным, незначительным. В уравнениях математической
физики такие факторы учитываются в
форме нелинейных членов, т. е. таких, которые имеют
степень, отличную от первой. А потому теорией хаоса
должна была стать нелинейная наука.
Классическая картина мира основана на принципе
детерминизма, на отрицании роли случайностей.
Законы природы, сформулированные в рамках классики,
выражают определенность. Реальная Вселенная
мало похожа на этот образ. Для нее характерны стохастичность,
нелинейность, неопределенность, необратимость.
Понятие «стрелы времени» утрачивает для нее
прежний ясный смысл.
В нелинейной Вселенной законы природы выражают
не определенность, а возможность и вероятность.
Случайности в этой Вселенной играют фундаментальную
роль, а ее наиболее характерным свойством являются
процессы самоорганизации, в которых и сам хаос
играет конструктивную роль.
Формирование научного аппарата нелинейной картины
мира происходило по нескольким направлениям.
В математике это теория особенностей (А. Пуанкаре,
А.А. Андронов, X. Уитни) и теория катастроф (Р. Том,
К. Зиман, В.И. Арнольд). Ключевые термины, введенные
в этих теориях, это бифуркация — процесс качественной
перестройки и ветвления эволюционных паттернов
системы, катастрофы — скачкообразные изменения
свойств системы, возникающие на фоне плавного изменения
параметров, аттрактор — «притягивающее» состояние,
в котором за счет отрицательных обратных связей
автоматически подавляются малые возмущения.
Тема 5
В физике, химии и биологии — это работы И.Р. Пригожина
и возглавлявшейся им Брюссельской школы по
термодинамике необратимых процессов. Итогом их исследований
стало возникновение нового научного направления
— теории неравновесных процессов. Профессору
Штутгартского университета Г. Хакену, много
сделавшему для исследования этих процессов, принадлежит
удачный термин — синергетика (по-гречески
synergos означает согласованный). В России это работы
СП. Курдюмова, Г.Г. Малинецкого, А.А. Самарского.
Рассмотрим базовые принципы нелинейного образа
мира. Во-первых, это принцип открытости. Система
является открытой, если она обладает источниками
и стоками по веществу, энергии и (или) информации.
Во-вторых, это принципы нелинейности. Вот пример
нелинейных процессов: возьмите лист бумаги и сложите
его пополам. Потом еще раз пополам — и так
далее 40 раз. Попробуйте угадать, какой толщины получится
у вас эта стопка бумаги, не заглядывая на
следующую строчку. А проведя нехитрый арифметический
подсчет, вы получите поразительный результат
— 350 000 км, расстояние от Земли до Луны!
В-третьих, это когерентность, т. е. самосогласованность
сложных процессов. Принцип когерентности
используется, например, в лазерах.
Используя эти принципы, перечислим основные
отличительные свойства мира, подчиняющегося нелинейным
закономерностям.
1. Необратимость эволюционных процессов. Барьер,
который препятствует стреле времени обратить
свой вектор в противоположную сторону, образует
нелинейные процессы.
2. Бифуркационный характер эволюции. Принципиальная
отличительная особенность развития нелинейных
систем — чередование периодов относительно монотонного
самодвижения в режиме аттракции и зон
бифуркации, где система утрачивает устойчивость по
отношению к малым возмущениям.
В результате за зоной бифуркации открывается целый
спектр альтернативных эволюционных сценариев.
Это означает переход от жесткого лапласовского
принципа детерминизма к бифуркационному вероятСовременная
научная картина мира
ностному принципу причинно-следственных связей.
3. Динамизм структуры саморазвивающихся систем.
Существует два типа кризисов эволюционирующей
системы — структурный и системный. В случае
первого после зоны бифуркации она может сохранить
устойчивость за счет перестройки своей
структуры, во втором случае она переходит на
качественно новый уровень.
4. Новое понимание будущего. К зоне бифуркации
примыкает спектр альтернативных виртуальных
сценариев эволюции. И следовательно, паттерны
грядущего существуют уже сегодня, будущее оказывает
влияние на текущий процесс — этот вывод
полностью противоречит классике.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 32 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |