8. Физика в контексте интеллектуальной культуры.

Включив в физику астрофизику и космологию, мы естественно раздвигаем ее границы, охватывая все структурные уровни организации материи, все фундаментальные взаимодействия, пространственно-временные отношения, а также динамические и статические закономерности природы. Принципы и законы современной физики приобретают фундаментальное значение в познании Вселенной и феномена Человека, как голограммы Вселенной.

Физика в контексте интеллектуальной культуры в определенной степени приобретает в сакральной книге Мира (Универсума) свой первоначальный Аристотелевский смысл общенаучного познания Природы (греч. «фюзис» - природа). С другой стороны возрастает и трансляционная функция физической науки, в основе которой лежит значительная всеобщность физических основ измерения в естествознании и технике, а также тесная взаимосвязь физики с философией и методологией науки.

Это позволяет дать определение физике, как науке о наиболее общих структурных уровнях материи, фундаментальных взаимодействиях, пространственно-временных соотношениях, динамических и статических закономерностях Природы, единой теории поля, а, следовательно, как науке о наиболее общих явлениях, законах и принципах познания Природы.

В частном смысле, опираясь на механистическую, релятивистскую и квантово-полевую исследовательские программы, физику можно определить, как науку о движении физических тел, их взаимодействиях и взаимопревращениях, о состояниях на всех структурных уровнях организации неживой материи.

При этом под физическими телами, очевидно, надо понимать все микро-, макро- и мегаобъекты, а под состояниями «объект плюс окружение», сложные понятия: микро-, макро- и мегасостояния.

Не потерял актуальности возникший во второй половине XX-го века спор между «лириками» и «физиками», так как в техногенной цивилизации достижения физики и других естественных наук не только создали «комфортные» условия существования цивилизации и указали на космические, геологические и экологические опасности, но способствовали «технократическому» мышлению покорения природы и созданию технологий не только на пользу, но и во вред человеку, особенно в опасной гонке вооружений.

Разрешение этого спора лежит в понимании, что за все проблемы прогресса и регресса цивилизации ответственен человек действующий, опирающийся на культуру или на антикультуру и проявляющий себя в предметно-практических функциях интеллектуальной сферы культуры.

9-10. Корпускулярно-волновая концепция материи. Структурные уровни организации материи в рамках современной физики.

Мы в изложении физических концепций познания мира будем опираться на объём знаний по физике, полученных Вами в среднем (полном) общем образовании, расширяя их концептуально в рамках релятивистской, квантово-полевой и современной физических исследовательских программ.

Квантово-полевая физическая исследовательская программа опирается на корпускулярно-волновой дуализм материи, выраженный в двойственной природе микрочастиц: корпускула-волна в формулах М. Планка и Луи де Бройля ( и , где – постоянная Планка; W – энергия микрочастицы; w - циклическая частота; – импульс микрочастицы; – волновой вектор, направленный вдоль направления скорости микрочастицы, λ – длина волны.) и обуславливающий двойственность существования материи в форме вещества и фундаментальных полей взаимодействия. В квантово-полевой физической исследовательской программе была установлена дискретность материи в рамках структурных уровней вещества и фундаментальных полей взаимодействия, что подчёркивает особую роль физической структурной организации материи (см. схему 20) в моделировании и познании Мира.

Схема 20. Физическая структурная организация материи.

Вещество Фундаментальные поля взаимодействия

Гипермир – гипотетическое представление о множественности мегамиров. Экспериментально не доказано

Мегамир – мир мегаобъектов и мегасостояний больших космических масштабов и скоростей.

Мегаобъекты и мегасистемы: метагалактики, галактики, звезды, планетные системы, планеты, спутники планет, астероиды, кометы, диффузная материя. Доминирует гравитационное поле взаимодействия.

Кванты поля – гравитоны плюс гравитино (?). Пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время – в миллионах и миллиардах лет.

Макромир – мир макрообъектов и макросостояний, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле.

Примеры макрообъектов и макросистем: геосферы, города, машины, приборы, физико-химические, геологические, биологические макросистемы. Доминирует электромагнитное поле взаимодействия. Кванты поля – фотоны. Пространство измеряется в нм, мм, см, м и км; время в секундах (с), минутах (мин.), часах и годах.

Микромир – мир микрообъектов и микросостояний, мир предельно малых измеренных экспериментально масштабов. Пространственные характеристики исчисляются от 10-10 до 10-18 м, а время от бесконечности до 10-24 с.

Микрообъекты и микросистемы : молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы, в том числе и кванты полей взаимодействия, «физический» вакуум.

Доминируют: слабое взаимодействия, ответственное за взаимодействие элементарных частиц при их взаимопревращениях. Ярко проявляются в b-- и b+- распадах; кванты поля: тяжелые промежуточные бозоны;

сильное поле взаимодействия, ответственное за взаимодействие кварков и андронов, кванты поля: глюоны и p-мезоны;

электромагнитное поле взаимодействия ответственное за существование атомов и молекул

Гипомир – гипотетический мир в микромире, идущий еще от Планка.

Гипообъекты и гипосистемы: планкеон, «пузырьковая» сингулярность, «физический» вакуум.

Гипотетические модели гипермира и гипомира, предложенные К. Х. Рахматулиным, в определенной степени пересекаются, если в качестве основного фундаментального объекта Природы принять физический вакуум как совокупность фундаментальных полей взаимодействия в низшем энергетическом состоянии. Структура вакуума (модель А. Линде), в этих условиях задается размером, временем, плотностью и энергией Планкеона («пространственно-временная пена»). Квантовые флуктуации плотности и размеров приводят к тому, что расширяющие «пузыри» становятся неравноправными: в «кипящей» большой Вселенной появляется мини-Вселенная (а возможно и не одна – вставка наша), раздувающаяся с огромной скоростью. Это одна из естественнонаучных концепций происхождения Вселенной (см.: А.Д. Линде. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. – М.: Мир, 1990).

В модели гипомира в последнее время все чаще используют и теорию струн, которую один из ее разработчиков Д. Гросс считает единственной работоспособной теорией в масштабах шкалы Планка, в основе которой лежат фундаментальные размеры физических констант: скорости света м/с, кванта действия Дж×с и гравитационной постоянной Ньютона м3/кг×с2, из которых и вытекают определения длины, энергии и времени планкеона в этих фундаментальных единицах. Теория струн представляет собой теорию нового типа, идея которой в том, что струна может принимать множество различных конфигураций и представляет собой значительно более усложненный объект, нежели частица-точка. Может статься, что все наблюдаемые нами частицы – суть просто различные гармоники, различные моды колебаний одной и той же струны. Именно такой подход постулируется теорией струн и считается, что теория струн обладает потенциальной возможностью стать объединяющей теорией всех взаимодействий и структурных уровней материи, то есть сможет объяснить ряд явлений в гипомире и микромире.

Применительно к макромиру и мегамиру подходы, основанные на теории струн, носят пока спекулятивный характер. Однако, по мнению американского физика, лауреата Нобелевской премии Д. Гросса, существенных успехов теория струн как в теоретических, так и в экспериментальных исследованиях природы мира достигнет уже в наступившем XXI-м веке.

Итак, современная физическая исследовательская программа – единая теория поля в поисках теорий Великого объединения всех фундаментальных взаимодействий все время развивается, хотя и встречает на своем пути становления и развития целый ряд сложностей и трудностей.

Так, например, главная проблема в теории струн – это проблема типологии пространства-времени, которая в теории струн может непрерывным образом изменяться. Многие теоретики струн внутренне согласны с Эдвардом Уитменом, сказавшим, что пространство – время обречено, т.е. на смену концепции пространственно-временных отношений должна появиться новая концепция, в которой пространство и время – не первичные, а скорее производные понятия. Главная тактика – надо понять, как зарождается, подобно пространству, время. Как отмечает Д. Гросс, мы не знаем как, и это, крупный камень преткновения на пути разгадки тайн теории струн. Свои тайны таят и другие теории Великого объединения взаимодействий. Вообще тайн природы Мира хватит на много поколений землян как в рамках физики, так и в других естественных наук.

11. Основные концепции пространства и времени. Важнейшие философские проблемы, относящиеся к П. и в., — это вопросы о сущности П. и в., об отношении этих форм бытия к материи, об объективности пространственно-временных отношений и закономерностей.

На протяжении почти всей истории естествознания и философии существовали 2 основные концепции П. и в. Одна из них идёт от древних атомистов — Демокрита, Эпикура, Лукреция (См. Лукреций), которые ввели понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное (одинаковое во всех точках) и бесконечное (Эпикур полагал, что оно не изотропно, т. е. неодинаково по всем направлениям); понятие времени тогда было разработано крайне слабо и рассматривалось как субъективное ощущение действительности. В новое время в связи с разработкой основ динамики (См. Динамика) эту концепцию развил И. Ньютон, который очистил её от Антропоморфизма. По Ньютону, П. и в. суть особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Пространство само по себе (абсолютное пространство) есть пустое «вместилище тел», абсолютно неподвижное, непрерывное, однородное и изотропное, проницаемое — не воздействующее на материю и не подвергающееся её воздействиям, бесконечное; оно обладает 3 измерениями. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяжённость тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определённые места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Протяжённость, по Ньютону, если говорить о простейших частицах (атомах), есть начальное, первичное свойство, не требующее объяснения. Абсолютное пространство вследствие неразличимости своих частей неизмеримо и непознаваемо. Положения тел и расстояния между ними можно определять только по отношению к др. телам. Др. словами, наука и практика имеют дело только с относительным пространством. Время в концепции Ньютона само по себе есть нечто абсолютное и ни от чего не зависящее, чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, но могут и не заполнять; ход событий не влияет на течение времени. Время универсально, одномерно, непрерывно, бесконечно, однородно (везде одинаково). От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное время. Измерение времени осуществляется с помощью часов, т. е. движений, которые являются периодическими. П. и в. в концепции Ньютона независимы друг от друга. Независимость П. и в. проявляется прежде всего в том, что расстояние между 2 данными точками пространства и промежуток времени между 2 событиями сохраняют свои значения независимо друг от друга в любой системе отсчёта, а отношения этих величин (скорости тел) могут быть любыми.

Ньютон подверг критике идею Р. Декарта о заполненном мировом пространстве, т. е. о тождестве протяжённой материи и пространства.

Концепция П. и в., разработанная Ньютоном, была господствующей в естествознании на протяжении 17—19 вв., т.к. она соответствовала науке того времени — евклидовой геометрии, классической механике и классической теории тяготения. Законы ньютоновой механики справедливы только в инерциальных системах отсчёта (См. Инерциальная система отсчёта). Эта выделенность инерциальных систем объяснялась тем, что они движутся поступательно, равномерно и прямолинейно именно по отношению к абсолютному П. и в. и наилучшим образом соответствуют последним.

Согласно ньютоновой теории тяготения, действия от одних частиц вещества к Другим передаются мгновенно через разделяющее их пустое пространство. Ньютонова концепция П. и в., т. о., соответствовала всей физической картине мира той эпохи, в частности представлению о материи как изначально протяжённой и по природе своей неизменной. Существенным противоречием концепции Ньютона было то, что абсолютное П. и в. оставались в ней непознаваемыми путём опыта. Согласно принципу относительности классической механики, все инерциальные системы отсчёта равноправны и невозможно отличить, движется ли система по отношению к абсолютному П. и в. или покоится. Это противоречие служило доводом для сторонников противоположной концепции П. и в., исходные положения которой восходят ещё к Аристотелю; это представление о П. и в. было разработано Г. Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Особенность лейбницевой концепции П. и в. состоит в том, что в ней отвергается представление о П. и в. как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от неё. По Лейбницу, пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, существующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. При этом Лейбниц в дальнейшем включал в понятие порядка также и понятие относительной величины. Представление о протяжённости отдельного тела, рассматриваемого безотносительно к другим, по концепции Лейбница, не имеет смысла. Пространство есть отношение («порядок»), применимое лишь ко многим телам, к «ряду» тел. Можно говорить только об относительном размере данного тела в сравнении с размерами других тел. То же можно сказать и о длительности: понятие длительности применимо к отдельному явлению постольку, поскольку оно рассматривается как звено в единой цепи событий. Протяжённость любого объекта, по Лейбницу, не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния; что же касается самой природы времени как порядка сменяющихся явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь. Логически концепция Лейбница связана со всей его философской системой в целом.

Однако лейбницева концепция П. и в. не играла существенной роли в естествознании 17—19 вв., т.к. она не могла дать ответа на вопросы, поставленные наукой той эпохи. Прежде всего воззрения Лейбница на пространство казались противоречащими существованию вакуума (только после открытия физического поля в 19 в. проблема вакуума предстала в новом свете); кроме того, они явно противоречили всеобщему убеждению в единственности и универсальности евклидовой геометрии; наконец, концепция Лейбница представлялась непримиримой с классической механикой, поскольку казалось, что признание чистой относительности движения не даёт объяснения преимущественной роли инерциальных систем отсчёта. Т. о., современное Лейбницу естествознание оказалось в противоречии с его концепцией П. и в., которая строилась на гораздо более широкой философской основе. Только два века спустя началось накопление научных фактов, показавших ограниченность господствовавших в то время представлений о П. и в.

12. Вопросы пространства и времени всегда интересовали человеческое общество. Одна из концепций этих понятий идет от древних атомистов – Демокрита и Эпикура. Они ввели в научный оборот понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное и бесконечное. В процессе создания общей картины мироздания И.Ньютон также занимался вопросом понятия пространства и времени. По Ньютону, мир состоит из материи, пространства и времени, которые независимы друг от друга. Материя у Ньютона размещается в бесконечном пространстве, а ее движение происходит в пространстве и времени. Ньютон разделял пространство на абсолютное и относительное. Абсолютное пространство неподвижно и бесконечно. Относительное пространство – это часть абсолютного. Так же он классифицировал и время. Под абсолютным, истинным (математическим) временем автор понимал время, которое течет всегда и везде равномерно, а относительное время, с его точки зрения, есть мера продолжительности, которая существует в реальной жизни. Абсолютное пространство и абсолютное время, представляют собой вместилище всех материальных тел и пространств и не зависят ни от этих тел, ни от этих процессов, ни друг от друга. Изучив и выявив закономерности движения, Ньютон сформулировал законы движения:

• Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инертностью.

• Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела.

• Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

Французский физик А.Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные явления. А.Эйнштейн предложил постулаты 1905 году:

• Постулат первый – принцип относительности – никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно. При этом пространство и время связаны и зависимы друг от друга (у Галилея и Ньютона пространство и время независимы друг от друга). Этот постулат потребовал отказаться от ньютоновского дальнодействия.

• Постулат второй - принцип инвариантности скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат Эйнштейн предложил после анализа электродинамики Максвелла. Результатом развития специальной теории относительности является общая теория относительности (ОТО), которая опубликована Эйнштейном в 1916 году. Она основывается на двух постулатах СТО и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях, а не только при движении с большими скоростями.

13)

Процессы в микромире.

Успехи в изучении строения вещества, о которых говорилось в предыдущих параграфах, раскрыли перед исследователями природы новый мир — мир мельчайших частиц. Его называют микромиром; в отличие от мира крупных тел, или макромира (от греческих слов: «ми'крос» — малый, «ма'крос» — большой), микромир недоступен непосредственному наблюдению, и для изучения его требуются особые, тонкие методы. Микромир оказался чрезвычайно сложным. Как уже говорилось, любое тело, которое в механике рассматривалось как сплошное, при использовании новых методов исследований оказывалось сложной системой громадного числа непрерывно движущихся молекул. Молекулы оказались состоящими из еще более мелких частиц — атомов, причем в некоторых типах молекул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра — состоящими из различных частиц, о которых будет рассказано в последнем томе нашего учебника.

Конечно, все, что происходит и наблюдается в макромире, взаимосвязано с состоянием частиц микромира и с их изменениями. Изменения теплового состояния тел — температурные изменения и переход тел из одного состояния в другое, например из твердого в жидкое,— оказались связанными, в основном, с изменениями движения молекул и их взаимного расположения. Химические превращения, наблюдаемые в микромире, связаны с изменениями атомного состава молекул.

Строение молекул или атомов, а также движения атомов, составляющих молекулы, и движения частиц, образующих атомы, проявляются в макромире в электрических, магнитных, оптических и других явлениях. Эта необычайная сложность микромира представила бы непреодолимые трудности для его познания, если бы не удалось разумно расчленить задачу. Оказывается возможным выделить более простые явления, обусловленные, например, молекулярными движениями, при изучении которых можно пренебречь более тонкими процессами микромира; далее следует перейти к изучению более тонких процессов и движений, связанных со структурой атомов и молекул, оставляя в стороне внутриядерные процессы, и т. д.

Таким образом, переходя от изучения более простых процессов и движений к более сложным, мы постепенно составляем себе все более детальную и глубокую картину микромира. Начнем с таких явлений, при которых можно не обращать внимания на внутреннюю структуру молекул, на движение составляющих молекулы атомов и на еще более гонкие внутриатомные и внутриядерные процессы и движения. Сюда относится обширная группа тепловых явлений, при которых молекулы можно рассматривать как неизменные малые тельца.

Итак, приступая к изучению микромира, ограничимся сначала изучением движения и расположения молекул, не рассматривая их внутреннего строения.