Курс по концепции современного естествознания

Что представляет собой свет? Свет описывается теорией электромагнитных волн, а также в терминах фотонов, т.е. существуетдуализмсвета, светестьволна и частица.

ФранцузскийфизикЛуидеБройльв1924 г. выска-

залидею, чтодуализм«волна–частица» долженбыть справедливдля всехдругихчастиц. Этодоказано экс-

периментально. Поведениепотокачастиц— электронов, атомов, молекул— при встрече с препятствиями

атомных размеров подчиняется волновым законам:

наблюдаются явления дифракции, интерференции и др. Можно наблюдать дифракцию электронов на тонкой пластине слюды и дифракцию нейтронов на кристалле кварца.

Когда возникла дилемма — какая же теория вер-

на, Нильсом Бором было предложено решить ее по принципу дополнительности. Невозможно описать протекание процессов в микромире, выбрав однуиз возможных теорий — волновую или квантовую. Некоторые эффекты можно описатьволновой теорией, некоторые квантовой. Используются и та, и другая теория при решении конкретных задач.

Что же представляет собой свет на самом деле —

волну или частицу? Дело в том, что волна и частица— это физические понятия. Физические понятия не являются сами по себе физическими объектами— они лишь более или менее подходящие абстракции. В них концентрируется наше понимание окружающего мира (в особенности научное понимание). Как нельзя утверждать, что на радужной оболочке глаза находится миниатюрная копия рассматриваемого предмета, ведь речь идет об его проекции, образо-

ванной отраженным от него светом, так и физические понятия являются моделями объектов. Ни одна модель не описывает всех свойств реальных объектов, она, как правило, передаетте свойства, которые в данном случае нас интересуют или же считаются наиболее существенными. Модели, составляющие частьтеории, являются приближенно адекватным отражением реальности в нашем сознании.

На данном этапе развития науки дуализм в понимании материи не преодолен и, видимо, преодолен не будет. Дуализм в понимании материи показывает нам, что мы описываем мир недостаточно адекватными моделями.

Биохимию по-другому называют органической химией. Оба названия верны. Биохимия — это наука, которая изучаетсоединения углерода сдругими элементами, т.е. органическими элементами и законами их превращения. Эта наука изучает химические вещества, их структуру и распределение в организме. Использование законов биохимии относится к глубокой древности. Человек уже издавна научился обрабатыватьживотныешкуры, научилсяготовитьвино, брагу, то есть использовал процессы брожения и т.п.

Термин «органическая химия» был введен в 1827 г.

ученым Й. Берцелиусом. Как же развивалась органическая химия?

Все началосьстого, чтобылаподорванаточка зрения, согласно которой в синтезе присутствуеттак называемая «жизненная сила». Это произошло после того, как в 1828 г. Ф. Велер исследовал мочевину.

На органической химии основаны все жизненные процессы, потомучто углероды способны соединяться со многими элементами и могут образовывать молекулы самого разного состава и строения (например, цепного, циклического и т.д.). Именно этой способностью углерода и обусловлено такое множество органических соединений: к 90-м гг. XX в. их число составляло более десяти миллионов.

И весь этот процесс синтеза углерода с различными элементами привел к тому, что стали появляться

отдельныеотраслинаукииновыеотраслипромыш-

ленности (например, производство синтетических красителей и т.д.).

Сама биохимия состоитиз общей и аналитической химии, которыебылиее«родителями». Насегодняш-

ний день органическая химия уже сама давно обзавелась «потомством». В середине 20-х гг. XX в. про-

изошло выделение молекулярной биологии. В связи с ростом народного хозяйства в отдельную наукувыделиласьтехническая биохимия.

Молекулярная биология занимается тем, что исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне, а также выясняет, каким образом

ивкакоймереростиразвитиеорганизмов, хранение

ипередача наследственной информации и многие другие явления обусловлены структурой и свойствами биологических белков и нуклеиновых кислот, то есть макромолекул.

Молекулярная биология тесно связана не только с органической химией, но и с биофизикой, генетикой, микробиологией.

Когда же все-таки возникла микробиология? Это точно неизвестно, но существуют две точки зрения:

1)молекулярная биология выделилась в 20-е гг. XX в. В это время происходит активное внедрение в биологиюидейиметодов, которыебылипозаимствованы из физики. Такое заимствование произошлодля того, чтобыобъяснитьрядявлений, такихкакмышечное сокращение, наследственностьи многие другие;

2)молекулярная биология возникла в 1953 г.

Именно в этом году Дж. Уотсон и Ф. Крик разработали свою идею двойной спирали ДНК.

ВСоветскомСоюзе наукатакже не стояла на месте, а развивалась. Огромный вклад в это развитие внесли такие советские ученые, как А.Н. Белозерский,

В.А. Энгельгардт.

34 Теория относительности

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

А. Эйнштейн в своей книге спрашивает: «Можем ли сформулироватьфизические законытаким образом, чтобы они были справедливы для всех систем координат, нетолькодля систем, движущихся прямолинейно и равномерно, но идля систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу?». И отвечает: «Это оказывается возможным».

Потеряв в специальной теории относительности свою «независимость» от движущихся тел и друг от друга, пространство и время как бы «нашли» друг друга в едином пространственно-временном четырехмерном континууме.

Автор континуума математик Герман Минковский

опубликовал в 1908 г. работу «Основания теории электромагнитныхпроцессов», в которой утверждал,

что отныне пространство само по себе и время само по себе должны быть низведены до роли теней, и только некоторый вид соединения обоихдолжен попрежнему сохранять самостоятельность.

Идея А. Эйнштейна и состояла в том, чтобы представить все физические законы как свойства этого континуума, как его метрику. С этой новой позиции А. Эйнштейн рассмотрел закон тяготения И. Ньютона.

Вместо силы тяготения он стал оперировать полем тяготения. Поля тяготения были включены в про-

странственно-временнойконтинуумкакего«искрив-

ление». Метрика континуума стала неевклидовой, «римановской» метрикой. «Кривизна» континуума стала рассматриваться как результат распределения движущихся в нем масс.

Новая теория объяснила не согласующуюся с ньютоновским законом тяготения траекторию вращения Меркурия вокруг Солнца, а также отклонения луча звездного света, проходящего вблизи Солнца.

Так из физики было элиминировано понятие инерциальной системы координат и обосновано утверждение обобщенного принципа относительности: лю-

бая система координат является одинаково пригодной для описания явлений природы.

35 Квантовая механика

По мнению лорда Кельвина (У. Томсона), недостающим элементом для завершения здания физики на рубеже ХIХ–XХ вв. было серьезное расхождение

между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории оно должно быть непрерывным, континуальным. Однако это приводило к парадоксальным выводам, вроде того, что общаяэнергия, излучаемаячернымтеломприданной температуре, равна бесконечности (формула Релея– Джинса). Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта) Е = hn, где n — частота излучения, а h — универсальная константа. Гипотеза М. Планка была использована А. Эйнштейном для объяснения фотоэффекта. А. Эйнштейн ввел поня-

тие кванта света или фотона. Он же предложил, что свет, в соответствии с формулой М. Планка, обладает одновременно волновыми и квантовыми свойствами. В сообществе физиков заговорили о корпускулярноволновом дуализме, тем более что в 1923 г. было открытоещеодноявление, подтверждающеесущество-

вание фотонов— эффектА. Х. Комптона.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все частицы материи, введя представление о волнахматерии. Отсюдаможноговоритьиоволновых свойствахэлектрона, например, одифракцииэлектрона, которые и были экспериментально установлены.

Однако эксперименты Р. Фейнмана с «обстрелом» электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, соднойстороны, сказать, черезкакоеотверстие пролетаетэлектрон, т.е. точно определитьего координату, асдругойстороны— неисказитькартины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе.

Объяснение«неклассического» поведениямикроча-

стиц было впервые дано немецким физиком Вернером Гейзенбергом, сформулировавшим закон движе-

ниямикрочастицы: знаниеточной координаты частицыприводиткполнойнеопределенностиееимпульса, и наоборот, точное знание импульса частицы— к полной неопределенности ее координаты. Гейзенберг установилсоотношениенеопределенностейзначений координаты и импульса микрочастицы:

Dх × DРх h,

где Dх — неопределенность в значении координаты; DРх — неопределенность в значении импульса; h — постоянная Планка.

Этот закон и соотношение неопределенностей на-

звали принципом неопределенности В. Гейзенберга.

Неопределенность и дополнительность оказываются в рамках такого подхода не мерой нашего незнания, а объективными свойствами микрочастиц, микромира в целом. Из этого следует, что статисти-

ческие, вероятностные законы лежат в глубине фи-

зической реальности, а динамические законы одно- значнойпричинно-следственнойзависимости—лишь некоторый частный и идеализированный случай выражения статистических закономерностей.

36 Термодинамика

Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в ХIХ в. С. Кар-

но, Р. Майером, Д. Джоулем, Г. Гельмгольцем, Р. Клаузиусом, У. Томсоном (лордом Кельвином), привели к выводам, о которых Р. Майер писал: «Движение, теплота, электричествопредставляютсобойявления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Г. Гельмгольц обобщаетэто утверждение Р. Майера в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна». УильямТомсон уточнил понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив энергию как способность совершать работу. Р. Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями сообщества физиков был сформулирован фундаментальныйдля всего фи-

зического знания закон сохранения и превращения энергии.

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного зако-

на— закона возрастания энтропии. «Переход тепло-

ты отболее холодноготела к болеетеплому, — писал Р. Клаузиус, — не может иметь места без компенса-

ции». Меру способности теплоты к превращению

Клаузиус назвал энтропией.

Сутьэнтропиивыражаетсявтом, чтововсякойизолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплотупри одновременном уравниваниитемпературных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают

необратимо. Принцип, утверждающий стремление

энтропии к максимуму, называют вторым началом термодинамики. Первое начало— закон сохранения

ипревращения энергии.

Принцип возрастания энтропии поставил перед

физической мыслью ряд проблем: соотношения обратимости и необратимости физическихпроцессов, формальности сохранения энергии, не способной совершатьработупри температурной однородности тел. Все этотребовало более глубокого обоснования начал термодинамики, прежде всего природы тепла. Попытку такого обоснования предпринял Людвиг Больцман, который пришел, опираясь на молеку- лярно-атомное представление о природе теплоты, к

выводу о статистическом характере второго закона термодинамики, так как вследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения мынаблюдаемлишьсредниезначения. Определение же средних значений— задача теории вероятностей. При максимальном температурном равновесии максимален и хаос движения молекул, в котором исчезаетвсякий порядок. Встаетвопрос: можетли и, если да, то как, из хаоса снова возникнутьпорядок? На это физика сможет ответить лишь через сто лет, введя принцип симметрии и принцип синергии.