Закони збереження в мікросвіті. Сучасна фізична картина світу. Досягнення та проблеми сучасної фізики. Роль українських вчених у розвитку фізики

У фізиці XX ст. загальна теорія відносності (ЗТВ) зіграла особливу і своєрідну роль.

По-перше, вона являє собою нову теорію тяжіння, хоча, можливо, і не повністю завершена, і не позбавлена деяких недоліків. Складність полягає в тому, що гравітація – це вид енергії, тому вона сама є власним джерелом енергії. Гравітація, як фізичне поле, сама володіє (як, наприклад, і електромагнетизм) енергією та імпульсом, а отже, і масою, звідси слідує, що рівняння теорії нелінійні, тобто не можна просто поєднати відомі розв’язки для простих систем, аби мати повний розв’язок для складної системи. З цим пов’язані труднощі інтерпретації змісту тензора енергії – імпульсу. Математичний апарат теорії настільки складний, що майже всі задачі, окрім найпростіших, виявляються нерозв’язними. Через такі труднощі (можливо, вони технічного характеру, а, можливо, й принципового) вчені до цих пір – 80 років по тому, як ЗТВ була сформульована, – все ще намагаються розібратись в її змісті.

По-друге, на основі ЗТВ були розвинені два фундаментальні напрями сучасної фізики: геометризовані єдині теорії поля; релятивістська космологія.

Вдала геометризація гравітації змусила багатьох фізиків замислитися над питанням сутності фізики в її відношенні з геометрією. Тут склалися дві протилежні точки зору:

1) поля і частинки безпосередньо не визначають характер просторово-часового континууму, він сам слугує лише ареною прояву; поля й частинки далекі до геометрії світу, і їх потрібно поєднати з геометрією, аби взагалі можна було говорити про фізику;

2) у світі немає нічого, окрім порожнього викривленого простору; матерія, заряд, електромагнетизм та інші поля є лише проявом викривленого простору.

ЗТВ виявилась перехідною теорією між першим і другим підходами. У ЗТВ представлений змішаний тип опису реальності: гравітація в ній геометризована, а частинки і поля, відмінні від гравітації, додаються до геометрії. Багато вчених (в тому числі і сам Ейнштейн) робили спроби об’єднати електромагнітне і гравітаційне поля в межах достатньо загального геометричного формалізму на базі ЗТВ. З відкриттям різноманітних елементарних частинок і відповідних їм полів природно постала проблема включення і їх в межі подібної теорії. Це заклало початок тривалому процесу пошуків геометризованої єдиної теорії поля, що, за задумом, повинна реалізувати другий підхід – зведеня фізики до геометрії, створення геометродинаміки. Аналіз показує, що там, де проявляються зміни топологічної структури світу, топології просторово-часового континууму, там фіксується уявна зміна фундаментальних законів природи. Так, відбувається гадане порушення причинності, коли при падінні в «чорну діру» зникають елементарні частки. Тому вивчення простору й пошук єдиної теорії поля має глобальне значення.

Виникнення й розвиток квантової фізики

Джерела квантової фізики можна знайти в дослідженнях процесів випромінювання тіл. Ще в 1809 році П. Прево зробив висновок, що кожне тіло випромінює незалежно від навколишнього середовища. Розвиток спектроскопії в XIX столітті привів до того, що при вивченні спектрів випромінювання починають звертати увагу й на спектри поглинання. При цьому з’ясовується, що між випромінюванням і поглинанням тіла існує простий зв’язок. Цей закон отримав пояснення тільки у квантовій теорії.

М. Кірхгоф у 1860 р. сформулював новий закон, який стверджує, що для випромінювання однієї й тієї ж довжини хвилі при одній і тій же температурі відношення випромінювальної та поглинаючої здатностей для всіх тіл однакове.

Кірхгоф увів поняття абсолютно чорного тіла як тіла, що поглинає всі падаючі на нього промені. При визначенні виду універсальної функції природно було припустити, що можна скористатися теоретичними міркуваннями, насамперед, основними законами термодинаміки. Л. Больцман показав, що повна енергія випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його температури, однак завдання конкретного визначення виду функції Кірхгофа виявилися досить важким, і дослідження в цьому напрямку, засновані на термодинаміці й оптиці, не привели до успіху. Було не зрозуміло з погляду класичних уявлень: при термодинамічній рівновазі між коливними атомами речовини й електромагнітним випромінюванням майже вся енергія зосереджена в атомах які знаходяться в коливальному русі, і лише незначна частина її припадає на долю випромінювання, тоді як, відповідно до класичної теорії, практично вся енергія повинна була б перейти до електромагнітного поля.

У 1900 р. на засіданні Берлінського фізичного товариства М. Планк запропонував нову формулу для розподілу енергії в спектрі чорного тіла. Ця формула давала повну відповідність із дослідом, але її фізичний зміст був не цілком зрозумілий. Додатковий аналіз показав, що вона має зміст лише в тому випадку, якщо припустити, що випромінювання енергії відбувається не безупинно, а певними порціями – квантами. Це вело до визнання нарівні з атомізмом речовини атомізму енергії або дії, дискретного, квантового характеру випромінювання, що не вкладалося в рамки уявлень класичної фізики.

Формулювання гіпотези квантів енергії було початком нової ери в розвитку теоретичної фізики. З великим успіхом цю гіпотезу почали застосовувати для пояснення інших явищ, які не піддавалися опису на основі уявлень класичної фізики.

Істотно новим кроком у розвитку квантової гіпотези було введення поняття квантів світла. Ця ідея була розроблена в 1905 р. Ейнштейном і використана ним для пояснення фотоефекту. У цілому ряді досліджень були отримані підтвердження істинності цієї ідеї. У 1909 р. Ейнштейн, продовжуючи дослідження законів випромінюван­ня, показує, що світло володіє одночасно й хвильовими й корпускулярними властивостями. Ставало усе більш очевидним, що корпускулярно-хвильовий дуалізм світлового випромінювання не можна пояснити з позицій класичної фізики. У 1912 р. А.Пуанкаре остаточно довів несумісність формули Планка й класичної механіки. Були потрібні нові поняття, нові уявлення й нова наукова мова для того, щоб фізики могли осмислити ці незвичайні явища. Усе це з’явилося пізніше – разом зі створенням і розвитком квантової механіки.

Проблема інтерпретації квантової механіки. Принцип додатковості

Створений групою фізиків у 1925-1927 р. формальний матема­тичний апарат квантової механіки переконливо продемонстрував свої широкі можливості в кількісному охопленні значного емпіричного матеріалу. Не залишалося сумнівів, що квантова механіка придатна для опису певного кола явищ. Разом з тим виняткова абстрактність квантово-механічних формалізмів, значні відмінності від класичної механіки, заміна кінематичних й динамічних змінних абстрактними символами некомутативної алгебри, відсутність поняття електронної орбіти, необхідність інтерпретації формалізмів тощо, породжували відчуття незавершеності, неповноти нової теорії. У результаті виникла думка про необхідність її завершення.

Виникла дискусія про те, яким шляхом це потрібно робити. А. Ейнштейн і ряд фізиків вважали, що квантово-механічний опис фізичної реальності істотно неповний. Інакше кажучи, створена теорія не є фундаментальною теорією, а лише проміжним щаблем стосовно неї, тому її необхідно доповнити принципово новими постулатами і поняттями, тобто допрацьовувати ту частину підстав нової теорії, що пов’язана з її принципами.

Розробка методологічних установок квантової механіки, що була найважливішою ланкою в інтерпретації цієї теорії, тривала аж до кінця 40-х років. Завершення вироблення цієї інтерпретації означало й завершення наукової революції у фізиці, що почалася наприкінці XIX ст.

Основною відмінною рисою експериментальних досліджень в області квантової механіки є фундаментальна роль взаємодії між фізичним об’єктом та вимірюваним пристроєм. Це пов’язано з корпускулярно-хвильовим дуалізмом. І світло, і частки проявляють у різних умовах суперечливі властивості, у зв’язку з чим про них виникають суперечливі уявлення. В одному типі вимірювальних приладів (дифракційна решітка) вони представляються у вигляді безперервного поля, розподіленого в просторі, є це світлове поле чи поле, що описується хвильовою функцією. В іншому типі приладів (бульбашкова камера) ці ж мікроявища виступають як частки, як матеріальні точки. Причина корпускулярно-хвильового дуалізму, за Бором, в тому, що сам мікрооб’єкт не є ні хвилею, ні частинкою у звичайному розумінні.

Неможливість проведення точної межі між об’єктом і приладом у квантовій фізиці висуває два завдання: 1) яким чином можна відрізнити знання про об’єкт від знань про прилад; 2) яким чином, розрізнивши їх, зв’язати в єдину картину теорію об’єкта.

Перше завдання виконується шляхом введенням вимоги описання поведінки приладу мовою класичної фізики, а принципово статистичну поведінку мікрочастинок – мовою квантово-механічних формалізмів. Друге завдання вирішується за допомогою принципу додатковості: хвильовий і корпускулярний описи мікропроцесів не виключають і не заміняють, а взаємно доповнюють один одного. При одному уявленні мікрооб’єкта використовується причинний опис відповідних процесів, в іншому випадку – просторово-тимчасовий. Єдина картина об’єкту синтезує ці два описи.

Теорія електрослабкої взаємодії

У 70-і роки XX століття в природознавстві відбулася видатна подія: дві фундаментальних взаємодії із чотирьох фізики об’єднали в одну. Картина фундаментальних взаємодій трохи спростилася. Електромагнітна й слабка взаємодії, здавалося б, досить різні за своєю природою, стали різновидом єдиної електрослабкої взаємодії. Теорія електрослабкої взаємодії в остаточній формі була створена двома (незалежно один від одного) фізиками – С.Вайнбергом й А.Саламом. Теорія електрослабкої взаємодії вирішальним чином вплинула на подальший розвиток фізики елементарних часток наприкінці XX ст.

Головна ідея в побудові цієї теорії полягала в описі слабкої взаємодії мовою концепції каліброваного поля, відповідно до якої, ключем до розуміння природи взаємодій слугує симетрія. Одна з фундаментальних ідей у фізиці другої половини XX століття – це переконання, що всі взаємодії існують лише для того, щоб підтримувати в природі якийсь набір абстрактних симетрій. Яке відношення має симетрія до фундаментальних взаємодій? Адже, на перший погляд, твердження про існування подібного взаємозв’язку здається досить парадоксальним.

Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негеометричні. Серед негеометричних є так звані калібровані симетрії, що носять абстрактний характер й органами почуттів безпосередньо не фіксуються. Вони пов’язані зі зміною відліку рівня, масштабу або значення деякої фізичної величини. Система має калібровану симетрію, якщо її природа залишається незмінною при такого роду перетворенні. Так, наприклад, у фізиці робота залежить від різниці висот, а не від абсолютної висоти; напруга – від різниці потенціалів, а не від їхніх абсолютних величин. Симетрії, на яких заснований перегляд розуміння фундаментальних взаємодій, саме такого роду.

Для уявлення поля слабкої взаємодії як каліброваного, насамперед, необхідно встановити точну форму відповідної каліброваної симетрії. Справа в тому, що симетрія слабкої взаємодії набагато складніша, ніж електромагнітної. Адже й сам механізм слабкої взаємодії є більш складним. По-перше, при розпаді нейтрона, наприклад, у слабкій взаємодії беруть участь частки, у крайньому випадку, чотирьох різних типів (нейтрон, протон, електрон, нейтрино). По-друге, дія слабких сил приводить до зміни природи (перетворення одних часток в інші за рахунок слабкої взаємодії). Навпаки, електромагнітна взаємодія не змінює природи часток, що беруть участь у ній.

Чому ж електромагнітна й слабка взаємодії мають настільки несхожі властивості? Теорія Вайнберга-Салама пояснює ці розходження порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидві взаємодії були б рівні за величиною. Порушення симетрії спричиняє різке зменшення слабкої взаємодії.

Найбільш переконлива експериментальна перевірка нової теорії полягала в підтвердженні існування гіпотетичних W-часток й Z-часток. Їхнє відкриття в 1983р. стало можливим тільки зі створенням дуже потужних прискорювачів новітнього типу й означало тріумф теорії Вайнберга-Салама. Було остаточно доведено, що електромагнітна й слабка взаємодії в дійсності були просто двома компонентами єдиної електрослабкої взаємодії. У 1979 році Вайнбергу С., Саламу А., Глешоу С. була присуджена Нобелівська премія за створення теорії електрослабкої взаємодії.

Фізики завжди прагнули об’єднати знання різних явищ і звести всі явища взаємодії природи до однієї системи. У 70-90-их роках було розроблено декілька конкуруючих між собою теорій Великого об’єднання. Всі вони засновані на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабка й сильна взаємодії в дійсності являють собою лише дві сторони Великої єдиної взаємодії, то останній також повинне відповідати каліброване поле з деякою складною симетрією. Вона повинна бути досить загальною, здатною охопити всі калібровані симетрії, що містяться і в квантовій хромодинаміці, і в теорії електрослабкої взаємодії. Пошук такої симетрії – головне завдання на шляху створення єдиної теорії сильної й електрослабкої взаємодій. Існують різні підходи, що породжують конкуруючі варіанти теорій Великого об’єднання.

Проте, всі ці гіпотетичні варіанти Великого об’єднання мають ряд загальних особливостей. По-перше, у всіх гіпотезах кварки й лептони – носії сильної й електрослабкої взаємодій – включаються в єдину теоретичну схему. До тепер вони розглядалися як зовсім різні об’єкти. По-друге, залучення абстрактних каліброваних симетрій приводить до відкриття нових типів полів, що володіють новими властивостями, наприклад, здатністю перетворювати кварки в лептони.

У найпростішому варіанті теорії Великого об’єднання для перетворення кварків у лептони потрібно двадцять чотири поля. Дванадцять із квантів цих полів уже відомі: фотон, дві W-частки, Z-частка й вісім глюонів.

Інші дванадцять квантів – нові надважкі проміжні бозони, об’єднані загальною назвою Х і У-частки (володіють кольорами й електричним зарядом). Ці кванти відповідають полям, що підтримують більш широку калібровану симетрію й переміщують кварки з лептонами. Отже, Х- і У-частки можуть перетворювати кварки в лептони (і навпаки).

На основі теорій Великого об’єднання передбачено, принаймні, дві важливі закономірності, які можуть бути перевірені експериментально: нестабільність протона й існування магнітних монополів.

Експериментальне виявлення розпаду протона й магнітних монополів могло б стати вагомим доказом на користь теорій Великого об’єднання. На перевірку цих пророкувань спрямовані зусилля експериментаторів. Виявлення розпаду протона було б самим великим експериментом XX ст. Але поки ще твердо встановлених експериментальних даних на цей рахунок немає.

А про пряме експериментальне виявлення Х- і У-бозонів поки й зовсім не йдеться. Річ в тім, що теорії Великого об’єднання мають справу з енергією частинок вище 1014 ГеВ. Це дуже висока енергія. Важко сказати, коли вдасться одержати частинки настільки високих енергій у прискорювачах. Сучасні прискорювачі рідко досягають енергії 100 ГеВ. І тому основною областю застосування перевірки теорій Великого об’єднання є космологія, за допомогою цих теорій неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту.

Але об’єднання трьох із чотирьох фундаментальних взаємодій – це ще не єдина теорія в справжньому змісті слова, залишається ще гравітація.

Теоретичні моделі, у яких поєднуються всі чотири взаємодії (електромагнітна, слабка, сильна взаємодії та гравітація), називаються супергравітацією.

Ідея об’єднання почалася із синтезу електрики й магнетизму в рамках теорії Максвелла у XIX ст. Об’єднання слабкої й електромагнітної взаємодій одержало надійне підтвердження в 1983 р. завдяки відкриттю W й Z-частинок. Даних, що підтверджують Велике об’єднання, поки немає, але їх очікують. Число теоретичних передумов для створення єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій швидко росте.

Можливо, вже на початку XXI ст. найбільше завдання всієї історії пізнання матерії буде вирішене. У певному змісті це означає кінець фізичної науки як науки про фундаментальні основи матерії.

Але не виключені й інші варіанти розвитку фізики XXI ст. – відкриття нових фундаментальних взаємодій, нових субкваркових частинок, поява інших трактувань єдності матерії й ін. Особливо значимі на цьому шляху ті незвичайні уявлення, які зараз складаються там, де мікросвіт виявляється пов’язаним з мегасвітом, ультрамале з ультрабільшим, фізика з астрономією й космологією.

Загальноприйнятою є думка про те, що культура і наука кожної нації належать людству. А наш святий обов’язок шанувати своїх світочів науки і культури, пишатися ними і популяризувати їх, інакше наше самоусвідомлення як нації буде неможливим.

Як свідчать енциклопедичні дані, у дорадянський період понад п’ятсот синів і дочок України здобули визнання за кордоном. Понад 70 учених-фізиків працюють на теренах західної науки, їм належить істотний доробок у науковому потенціалі. На жаль, мало хто з наших земляків має можливість щось прочитати про них.

Однією з найяскравіших та найпопулярніших постатей і разом з тим найбільш замовчуваним є наш геніальний учений-фізик, філософ і перекладач, громадський діяч і публіцист, професор Іван Павлович Пулюй (1845-1919).

У 1877 р. він вже здобув науковий ступінь доктора натуральної філософії Страсбурзького університету. Упродовж 1877-1883 рр. працював асистентом фізичної лабораторії та приват-доцентом у Віденському університеті, але з 1882 р. почав займатися проблемами електротехніки. Восени 1884 р. його запрошують на посаду професора експериментальної і технічної фізики Німецької вищої технічної школи у Празі, де він заснував у 1902 р. кафедру електротехніки і керував нею до виходу на пенсію в 1916 р. На 1888/89 навчальний рік Пулюя обрали ректором політехніки. За видатні наукові, технічні, організаційні досягнення І.Пулюєві було присвоєно почесне звання радника цісарського двору.

Пулюй як фізик – віртуозний конструктор і експериментатор, а також блискучий популяризатор, що зумів поєднати у своїх лекціях, статтях і брошурах наукову строгість з прекрасним літературним стилем.

Великі заслуги Пулюя в дослідженні та практичному використанні самих Х-променів, і це дає підстави вважати його співзасновником рентгенології у широкому сенсі цього поняття – як науки про невидимі Х-промені, їх природу і сфери застосування. Він домігся найвищої на той час якості Х-променевих фотографій, опублікованих у європейській пресі. А виконана у США одним з Пулюєвих електровакуумних апаратів рентгенограма вперше у світі зафіксувала перелом людської кінцівки.

Одним із перших застосував поняття квантової механіки для з’ясування механізмів взаємодії електромагнітного випромінювання з твердими тілами О. Смакула.

Ученим з надзвичайним талантом новатора, у доробок якого ввійшли десятки відкриттів і винаходів світового значення, був Микола Пильчиков (1857-1908). Ще в гімназії він захоплено займався експериментами в галузі фізики, хімії, техніки. На II курсі фізико-хімічного відділення Харківського університету винайшов електричний фонограф, випередивши на кілька десятиріч зарубіжних учених, зокрема Т. Едісона, фонограф якого був механічним. За своє коротке життя він написав 18 наукових праць, розробив 9 фізичних і фізико-хімічних приладів, з яких рефлектометр для рідин був визнаний у всьому світі, розробив ефективний оптично-гальванічний метод вивчення процесів електролізу. Будучи ординарним професором Харківського університету, Пильчиков створив метрологічну станцію, де проводив практичні заняття та власні дослідження. Там він започаткував ряд нових методів дослідження і створив ряд цінних приладів світового значення (інклінатор, однонитковий сейсмограф); вперше у світі використав Х-промені для просвічування й діагностики захворювань, відкрив явище фото-гальванографії, винайшов спосіб керування різними механізмами і пристроями за допомогою радіо. У 1899-1900 рр. М.Пильчиков уперше здійснив експериментальні дослідження з радіоактивності, чим започаткував нову галузь науки – ядерну фізику. Пильчиков сконструював так званий радіопротектор для захисту радіопередач від перехоплення. Під його керівництвом почалися дослідження в галузі радіофізики та кріогенної фізики.

Великий внесок у розвиток світової фізики зробив директор і засновник інституту кристалофізики в Берліні, почесний член Наукового товариства імені Т.Шевченка, Українського товариства інженерів, почесний член Німецького фотографічного товариства Остап Стасів.

У 1931 р. він став науковим співробітником Геттингенського університету. Опублікував свою працю, в якій вперше у світі пояснив явище переміщення центрів забарвлення під впливом електричного поля, чим було започатковано новий напрям у фізиці твердого тіла. Особливо важливе значення має цикл його досліджень механізмів утворення прихованого фотографічного зображення. У 1947 р. став професором Дрезденського технічного університету, на базі якого заснував інститут кристалофізики Німецької академії наук.

Не можна не згадати видатного вченого і патріота України, чиїм ім’ям пишається і світ. Це Олекса Біланюк, який ще в 60-х роках насмілився зазіхнути на авторитет А. Ейнштейна та цілих поколінь учених, які вважали безсумнівним існування в природі межі максимальної швидкості. Біланюк, опублікувавши ряд праць із тахіонної проблематики, довів, що існують надсвітлові частинки – тахіони, які не можуть рухатися зі швидкістю, меншою від світлової або рівною їй. Тим самим він започаткував нову галузь теоретичної фізики. Електротехніку вивчав у Бельгії, ступінь доктора наук здобув у Мічиганському університеті, а професора фізики – у Квартморському коледжі США. Основний напрямок його наукової діяльності – експериментальна ядерна фізика.

Багато українських учених-гігантів світової фізики, яких буремні вітри ХХ ст. занесли за межі України, зробили вагомий внесок у світову культуру і науку, що є часткою творчого потенціалу української нації. До таких учених треба віднести Юрія Кістяківського, у 1900-1921 рр. директора інституту ім. Планка, наукового радника президента США Ейзенхауера, професора Прінстонського і Гарвардського університетів, спеціаліста з молекулярної кінетики і спектроскопії, видатного вченого в галузі ядерної фізики та співавтора водневої, а потім нейтронної бомб; Михайла Яримовича – керівника програм з фізики міжпланетного простору і систем космічних польотів; Миколу Галоняка – професора електричної інженерії Ілінойського університету США; Володимира Романіва – дослідника напівпровідникової фізики і техніки; Петра Грицака – професора механіки, головного проектувальника теплової системи супутників «Тельстар»; Ієна Шевчука, який зробив рідкісне відкриття – виявив зоряний спалах у Великій Магеллановій Хмарі; Джорджа Гамова – автора теорії первісного вибуху (він з’ясував генетичний код ДНК); Романа Яцківа, Юрія Даревича, Марка Горбача, Романа Канюка. Є багато інших провідних учених-фізиків, серед яких чимало лауреатів, академіків, що займали і займають високі посади. Але, безперечно, більшість фізиків з українським корінням жили і живуть у Росії. Серед них такі світила, як М. Боголюбов – засновник школи теоретичної фізики; Дмитро Іваненко, що передбачив роль нейтронів у будові ядра; Г.Буккер – директор інституту ядерної фізики в Новоросійську; Микола Леонтович – академік, працював у галузях електродинаміки, термодинаміки, оптики, квантової механіки, радіофізики тощо, розробив інерційну теорію плазми; Петро Капіца – директор інституту фізичних проблем Академії наук, лауреат Нобелівської премії, основні праці з ядерної фізики та фізики і техніки низьких температур, електроніки, який відкрив явище надплинності, створив потужні НВЧ-генератори тощо.