Философские проблемы науки и техники

Элементарными называются частицы, у которых сегодня внутренняя структура не обнаружена, и их размеры недоступны для измерения (элементарное расстояние, доступное для современных средств измерения, 10–18 см).

Основными характеристиками элементарных частиц являются следующие: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Поясним эти физические понятия.

Масса1 покоя: в теории относительности – масса объекта, находящегося в состоянии покоя. Считается, что масса фотона равна нулю, однако скорость фотона равна скорости света во всех случаях, и его невозможно привести в состояние покоя

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Частицы, имеющие массу покоя делятся на лептоны, мезоны, барионы. Существует три поколения лептонов:

1)электрон, электронное нейтрино;

2)мюон, мюонное нейтрино;

3)тау-лептон, тау-нейтрино.

Мезоны – средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона: пион, каон, эта, ро, фи.

Барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает 1000 масс электронаивсоставкоторых входятпротоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы. Единственным стабильным барионом является протон; все остальные барионы нестабильны и путём

1 Ма́сса (от греч. μάζα) – скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально (XVII–XIX) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства – вес. В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а масса тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям – масса эквивалентна энергии покоя). Масса проявляется в природе несколькими способами.

41

последовательных распадов превращаются в протон и лёгкие частицы. Нейтрон в свободном состоянии – нестабильная частица, однако всвязанномсостояниивнутриатомныхядеронстабилен.

Электрический заряд («элементарный» заряд). Все элементарные частицы обладают электрическим зарядом. Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны, а также ионы

взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

Кварки – частицы с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел.

Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10–10–10–24 с, после чего распадаются.

Спин – собственный момент импульса движения микрочастицы, ее внутренняя степень свободы, который не связан с перемещением частицы как целого. При введении понятия «спин» предполагалось, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок», а его спин – как

(или красота) и истинность.

Квантовые числа – это числа, определяющие дискретные значения параметров состояния элементарных частиц. Квантовое

42

число вквантовой механике – численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т.д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризуетсостояниечастицы.

Все элементарные частицы по характеру взаимодействия делятся на две группы: фермионы (кварки, лептоны), бозоны (кванты полей – фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны).

Фермионы составляют вещество, а бозоны переносят взаимодействие (поле).

3.3. Физическое взаимодействие

Взаимодействие обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, системную организацию материи. Все свойства тел есть проявление их взаимодействия.

Современная физика рассматривает четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Гравитационное взаимодействие. Это самое слабое из всех взаимодействий. Гравитационному взаимодействию подвержены все элементарные частицы. Влияние гравитационного поля на квантовые системы мало, но существенно возрастает в космических масштабах. С увеличением размеров объектов увеличивается энергия взаимодействия. Существует только в виде гравитационного притяжения (закон тяготения Ньютона). Скорость распространения гравитационных волн в вакууме равна скорости света.

Электромагнитное взаимодействие. Тип фундаменталь-

ных взаимодействий, который характеризуется участием электромагнитного поля в процессах взаимодействия.

43

Электромагнитное поле (в квантовой физике – фотоны) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. В отличие от гравитационного может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между одинаковыми зарядами). Характеризуется тем, что электрические заряженные частицы испускают или поглощают фотоны либо обмениваются ими. Обеспечивает целостность атомов, молекул, макротел. Именно к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др., свойства различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн.

Таким образом, электромагнитное и гравитационное взаимодействия осуществляются в космических масштабах, в макромире и микромире.

Слабое взаимодействие. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Проявляется только в микромире. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовымичислами– тоестьпревращатьсядругвдруга.

Сильное взаимодействие (другие названия – цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие). В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее (от 10–13 см), отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов –

44

протоны и нейтроны) в ядрах. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется. Если энергию гравитационного взаимодействия принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 1039 раз больше, а взаимодействие между нуклонами – составляющими ядро частицами – в 1041 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Вобычном стабильном веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов, и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядрах. Однако при столкновениях ядер или нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям. Особенно важную роль в природе играют реакции слияния (термоядерный синтез), в результате которых четыре нуклона объединяются в ядро гелия. Эти реакции (при существенном участии также и слабого взаимодействия) идут на Солнце и являются основным источником используемой на Земле энергии.

Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития: жизнь, человек, общество.

Впоследние годы в научных трудах обсуждается возможность существования еще одного дистанционного взаимодействия в макромире – спин-торсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля.

Торсионные поля (поля кручения) как объект теоретической физики являются предметом исследования с начала XX века и своим рождением обязаны Э. Картану и А. Эйнштейну. Если электромагнитные поля порождаются зарядом, гравитационные – массой, то торсионные поля – спином или угловым моментом вращения, крометого, открытаихспособностьксамогенерации.

45

Торсионное поле (поле кручения) обладает способностью почти мгновенно передавать информацию в любую часть Вселенной, а также обеспечивает «голографичность» информационных связей во Вселенной. Торсионные поля гипотетически ответственны за парапсихические феномены.

Возможно, что XXI век будет веком торсионной энергии.

3.4.Концепции пространства и времени

всовременном естествознании

Пространство и время – атрибуты материи, это формы ее существования.

Какими же основными общими свойствами обладают пространство и время?

1.Пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей.

2.Пространство и время являются универсальными, всеобщими формами бытия материи.

Нет событий, явлений, предметов, которые бы существовали вне времени и вне пространства.

Во многих современных учебниках по КСЕ даются именно такие свойства и пространства, и времени, которые исторически принадлежат еще классическому (Ньютоновскому) этапу развития естествознания). Сегодня следует понимать, что такие свойства пространства, как однородность, изотропность, обратимость, относятся лишь к так называемому «пустому пространству» Ньютона, когда предполагалось возможное существование пространства отдельно от вещей, процессов и явлений.

Специфические свойства пространства

Однородность– всеточкипространстваобладаютодинаковыми свойствами, – нет выделенных точек пространства, параллельный переносзамкнутыхсистемтелнеизменяетвидзаконовприроды.

46

Изотропность – все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, – нет выделенных направлений, и поворот замкнутой системы пространства на любой угол сохраняет неизменными законы природы.

Непрерывность – между двумя различными точками в пространстве, как бы близко они ни находились, всегда есть третья.

Обратимость – возможность возвращения в любую точку пространства замкнутой системы, пока она существует, неограниченное число раз.

Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу другого элемента, либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям.

Трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат. Три измерения (длина, ширина и высота) являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействия материальных объектов.

Специфические свойства времени

Однородность – любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково.

Непрерывность – между двумя моментами времени, как бы близко они не располагались, всегда можно выделить третий.

47

Однонаправленность или необратимость – означает однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них.

Длительность существования – выступает как единство прерывного и непрерывного.

Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Для определения времени достаточно одной координаты.

Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна

Специальная теория относительности, созданная в 1905 году, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея– Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. Приуменьшении скоростей движенияона сводитсяк классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем.

Свойства пространства и времени не абсолютны, они носят относительный характер и зависят от массы материи m и скорости ее движения с:

E = mc2.

Так, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза по сравнению с тем же кораблем, находящимся в покое, при возвращении корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как и была при отлете.

Во времени подобный эффект еще более заметен. В частности, известный парадокс близнецов. После путешествия на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, один из близнецов с удивлением обнаружит, что его брат на

48

Земле стал старше его. Можно точно рассчитать данные любого полета. Представим себе, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Но согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца.

Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

Общая теория относительности (или релятивистская теория тяготения) установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени

всильных гравитационных полях.

Вочень сильном поле тяготения может произойти полная остановка времени. Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота (например, замедление времени вблизи черной дыры).

Когда А. Эйнштейна спросили, в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно теории

49

относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

Эйнштейн соединил материю, движение, пространство ивремя

вединыйпространственно-временнойконтинуум.

Вчетырехмерном пространственно-временном континууме пространство есть процесс длительности вещи в длину, высоту, ширину, и время есть длительность вещи от начала

еедо конца. Длительность сосуществующих и сменяющих друг друга процессов позволяет сохранить все, что происходит в мире (то есть удержать новизну, дифференцированность). Время и пространство есть форма бытия.

3.5.Механический детерминизм. Динамические и статистические законы

Детерминизм – учение о причинной материальной обусловленности природных, социальных и психических явлений. Сущностью детерминизма является идея о том, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно в результате действия определенных причин. Механический детерминизм полностью исключает случайности.

В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических законов.

Закон – это внутренняя объективная связь между явлениями, предметами, процессами, которая носит существенный, устойчивый, повторяющийся и необходимый характер.

Законы могут быть общими (закон тяготения, закон сохранения энергии и др.) и частными (закон Ома, закон Архимеда, закон электромагнитной индукции).

Для решения проблемы причинности важное значение имеет подразделение физических законов и теорий на динамические и статистические (вероятностные).

50