Вопрос 3. Физика XX века.

К концу XIX в. на счету физики было немало успехов. Большинство ученых считали, что физическая картина мира в основном построена, предстоит уточнить только детали. Конец XIX – начало XX века — это время революционных перемен в науке: наука проникает в микромир, появилась квантовая теория, открывшая новый подход к пониманию микромира; затем настал черед теории относительности, сплавившей воедино пространство и время. Старое представление о рациональном и механическом мире, которым управляют причинно-следственные связи, «кануло в Лету», уступив место таинственному миру парадоксов и «потусторонней» реальности. Это было результатом целого ряда научных открытий, вот только некоторые из них:

1895 г. Вильгельм Конрад Рентген (1845 – 1923) открыл лучи названные его именем; 1896 г. Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли (радиоактивность); 1897 г. Джозеф Джон Томсон (1856 1940) открыл первую элементарную частицу — электрон; в 1903 г. он предложил первую (электромагнитную) модель атома; 1898 г. Пьер Кюри (1859 – 1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934) открыли радий и полоний, ввели в научный оборот понятие радиоактивности; 1905 г. Альберт Эйнштейн создает специальную теорию относительности; 1911 г. Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) предложил планетарную модель атома и т.д.

Наука «проникла» в микромир и открытия в физике микромира кардинально изменили представления о строении вещества. Атом перестал быть «первокирпичиком» вещества, т.к. оказался делим (электроны, протоны, нейтроны). Были открыты элементарные частицы, которые разделяют на ряд классов: фотоны (элементарные частицы, не имеющие массы покоя), лептоны (легкие частицы: электрон, нейтрино), мезоны(средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона), барионы (тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы). В 1963 –1964 гг. появилась гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом, из которых состоят элементарные частицы.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень просто связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстоянии порядка 10^-15 — 10^-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современном уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10^-13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычайные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Изучение явлений микромира дополнило представления о физических взаимодействиях, т.к. до этого были известны взаимодействия на уровне механики: притяжение и отталкивание (действующие на расстоянии), а также трение (сцепление, скольжение) и деформирование (упругость) (действующие при непосредственном контакте двух тел). Физические взаимодействия на внутриатомном уровне и уровне элементарных частиц изучаются квантовой механикой. Физические взаимодействия на уровне атома изучаются электромагнетизмом. Физические взаимодействия на надатомном уровне изучаются механикой, молекулярной физикой и термодинамикой.

В науке выделяют три уровня строения материи:

Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16см, а время жизни – от бесконечности до10^-24 с.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

В ХХ в. произошли кардинальные перемены в понимании природы света.

В 1675 г. Ньютон высказал представление о свете как потоке прямолинейно летящих частиц вещества — корпускул (корпускулярная теория). На этой основе хорошо объяснялось прямолинейное распространение света, а также дисперсия света (разложение в спектр). Для объяснения законов отражения и преломления приходилось принимать новые, довольно искусственные допущения, а явления дифракции и интерференции на основе корпускулярных представлений не объяснялись совсем. Вот почему в 1678 г. Роберт Гук (1635 – 1703) и Христиан Гюйгенс (1629 – 1695) выдвинули представление о свете как механических волнах. Так возникла волновая теория света, с помощью которой были поняты интерференция (пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн) и дифракция (огибание волнами различных препятствий) света, его отражение и преломление. Но волновые представления Гука и Гюйгенса оказались бессильными для объяснения прямолинейного распространения света. Это последнее обстоятельство и высокий научный авторитет Ньютона привели к тому, что XVIII в. оказался веком господства корпускулярной теории света.

В начале XIX в. английский физик Томас Юнг (1773 – 1829) в 1801 г. разработал основные положения об интерференции света и определил длину световой волны, волновая теория заявляла о себе уже более серьезно. Огюстен Жан Френель (1788 – 1827), создал в 1818 г. стройную математическую теорию дифракции света,. Таким образом, в начале XIX в. свет стали представлять как поперечную механическую волну.

В 1860 – 1865 гг. Д. Максвелл разрабатывает теорию электромагнитного поля, на основе которой было предсказано существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Это дало Максвеллу основание считать свет одним из видов электромагнитного излучения. В 1888 г. Генрих Герц (1857 – 1894) открыл электромагнитные волны, а исследования их свойств подтвердили вывод Максвелла. Итак, в 70-х гг. XIX в. под светом стали понимать электромагнитную волну (электромагнитная теория).

Однако в 1905 г. А. Эйнштейн для объяснения экспериментально установленных законов фотоэффекта вынужден был предположить, что свет – это поток частиц, названных позднее фотонами. Так появилась фотонная теория света, на основе которой были объяснены не только фотоэффект, но люминесценция, фотохимические реакции, эффект Комптона (упругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма-излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны) и другие явления, что были не под силу электромагнитной теории света. Но интерференция, поляризация, дисперсия и многие другие свойства света прекрасно объяснялись на основе волновых представлений. И в физике уже, в который раз, возникает вопрос: «Что же такое свет?». Ситуация осложнялась еще тем, что в классической физике волны и частицы были объектами, противоположными по многим своим свойствам: частицы локализованы в пространстве, волны лишены этой локализации; частицы движутся по траекториям, а волны их не имеют; частицы не могут огибать препятствия и накладываться, а волны дифрагируют и интерферируют; частицы дискретны, а волны непрерывны.

В опытах со светом было доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было обнаружено, что в проявлении этих свойств имеются вполне определенные закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются квантовые (корпускулярные) свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света. Так физика XX в. открыла единство двух классических противоположностей — частицы и волны.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с тем, что корпускулярно-волновой дуализм был распространен на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительней оказалось открытие наличия у частиц волновых свойств, первую гипотезу о существовании которых высказал в 1924 г. французский ученый Луи де Бройль (1892 – 1987). Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927 г. американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881 – 1957)и Лестером Джермером (1896 – 1971), впервые обнаружившими явление дифракции электронов на кристалле никеля, т.е. типично волновую картину. Гипотеза де Бройля: каждой материальной частице, независимо от ее природы, следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы.

Таким образом, было установлено, что не только фотоны, т.е. кванты света, но и материальные, вещественные частицы, такие как электрон, протон, нейтрон и другие, обладают двойственными свойствами. Следовательно, все микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Это явление, названное впоследствии дуализмом волны и частицы, совершенно не укладывалось в рамки классической физики, объекты изучения которой могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами. Тот факт, что поток электронов представляет собой поток мельчайших частиц вещества, знали и раньше, но то, что этот поток обнаруживает волновые свойства, образуя типичные явления интерференции и дифракции, подобно волнам света, звука и жидкости, оказалось полной неожиданностью для физиков.

Следует заметить, что наличие у частиц волновых свойств – отнюдь не доказательство того, что частицы являются волнами, т. е. и в квантовой механике понятие частицы не сводится к понятию волны, как и понятие волны не сводится к понятию частицы. Квантовая механика показывает, что различие между частицами и волнами относительно, что в одних условиях объект выступает как волна, в других - как частица.

Владимир Александрович Фок (1898 – 1974) подчеркивал, что при появлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность. Непривычное единство корпускулярных и волновых свойств материи отражено в формулах Планка (e=hv) и де Бройля (λ=h/mV) . Энергия (e) и масса (m) – это, в первую очередь, характеристики частицы; частота (v) и длина волны (l) – характеристики волн. Может возникнуть вопрос: почему мы не замечаем дуализма в повседневной жизни? Причина состоит в малой величине постоянной Планка (h =6,63 × 10^-34 Дж/с). Например, длина волны де Бройля для пули массой m=10^-3 кг, летящей со скоростью 660 м/с, будет равна 10^-33 м; для Земли, масса которой, примерно 6 × 10²⁴ кг и скорость движения по орбите 3 × 10⁴ м/с, длина волны де Бройля будет равна 4 × 10^-63 м. Эти величины не только невозможно измерить, их трудно даже представить.

По современным воззрениям квантовый объект — это не частица и не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект — это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы, для выражения которого у нас нет соответствующих понятий, соответствующего языка. Но поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с классическим прибором (макрообъектом), то и описать этот микрообъект следует в классических понятиях, т.е. использовать понятия волны и частицы. Мы вынуждены говорить на классическом языке, потому что другого у нас нет. П. Девис отмечает, что наглядно представить себе волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться. В нашей повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость. Доведись нам столкнуться с волной-частицей, мы никогда не поняли бы этого.

Из осмысления квантово-волнового дуализма родился один из важнейших методологических принципов современной науки — принцип дополнительности, его сформулировал в 1927 г. Нильс Бор (1885 – 1962). В авторской формулировке понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеются два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. Макс Борн (1882 – 1970) образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе «картины» законны, и противоречия между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

Принцип дополнительности, как общий принцип познания, может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения по крайней мере двух взаимно исключающих, дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь. Сам Бор стремится распространить принцип дополнительности на разные науки и различные сферы деятельности человека (например, на биологию) Именно практически неисчерпаемые скрытые возможности живых организмов, обусловленные их чрезвычайно сложным строением и функциями, требуют, по Бору, применения принципа дополнительности в биологии. Еще один пример. С давних пор известно, что наука и искусство – это два различных способа изучения окружающего мира. Их совместное существование может служить в какой то мере иллюстрацией принципа дополнительности. Можно углубленно заниматься тем или другим. Оба подхода правомерны, но, взятые по отдельности, не полны. Стержень науки – логика и опыт. Основа искусства – интуиция, прозрение и чувства. Но истинная наука всегда сродни искусству, а настоящее искусство всегда включает в себя элементы науки. То есть эти два подхода не противоречат, а дополняют друг друга. Они отражают разные дополнительные стороны человеческого опыта и лишь вместе дают нам наиболее полное представление о Мире. Неслучайно выдающиеся естествоиспытатели очень часто обладали талантами и в художественной сфере, обнаруживая тонкое чувство прекрасного. История современной физики свидетельствует, что наука в ХХ веке становится чем-то сродни искусству. Физика ХХ века — неограниченное пространство для полета научной фантазии и воображения.

Наличие у микрочастиц волновых свойств приводит к весьма важному вопросу о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. Вернер Гейзенберг (1901 – 1976).

Итак, соотношение неопределенностей демонстрирует, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра — координату и скорость. Нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. Это и есть принцип неопределенности.

Необходимо иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Невозможность одновременного определения положения и импульса частицы не следует относить на счет грубого характера эксперимента или недостаточной разрешающей способности прибора, ибо в данном случае мы имеем дело с особенностью, внутренне присущей природе. Само понятие электрона, находящегося в каком-то месте, становится абсолютно бессмысленным, если мы хотим узнать его импульс.

В качестве иллюстрации может служить так называемый барьерный эффект. Допустим, вы бросили камешек в окно; если камешек брошен слабо, то он отскочит от стекла, не повредив его. Но при сильном броске камешек разобьет стекло и влетит в комнату. Нечто подобное можно проделать и в мире атомов; здесь роль камешка играет электрон, а роль оконного стекла – непрочный барьер того типа, что создается цепочкой атомов или электрическим напряжением. Электрон чаше ведет себя, как камешек: отражается от барьера, если приближается к нему медленно, и преодолевает его, если имеет большую энергию. Но иногда это правило коренным образом нарушается: электрон отражается от барьера, хотя имеет энергию, вполне достаточную для его преодоления.

Еще более странно выглядит ситуация, когда электрон, не обладая энергией, достаточной для прохождения через барьер, тем не менее удивительным образом оказывается по другую его сторону. Представьте, что вы, легонько бросив в окно камешек, видите, что он проник сквозь стекло, а само оно осталось целым и невредимым! Между тем именно такой фокус проделывают электроны. Они «туннелируют» сквозь непреодолимый барьер. Еще один фокус наблюдается, когда электрон приближается к «пропасти» и вот-вот должен свалиться в нее. Достигнув края, электрон может резко повернуть назад. Подобное странное поведение электрона совершенно непредсказуемо: он то отражается назад, то проваливается.

Хотя представление о том, что электрон может быть «здесь» в один момент и «там» — в следующий, кажется нелепым, но именно так и происходит. Электроны каким-то образом ведут себя так, будто они находятся одновременно в нескольких различных местах.

Поль Ланжевен: «Сущность принципа неопределенности заключается именно в утверждении невозможности проследить за движением отдельного электрона, то есть невозможности представить его себе в качестве отдельного предмета».

Единственный способ придать смысл столь странному поведению электрона заключается в предположении, что частица попадает из А в B одновременно по всем возможным путям. Важно сознавать, что все эти «диковинные штучки» не просто домыслы умозрительной науки. Так, «туннельный эффект» используется в некоторых микросхемах, например в туннельном диоде. Более того, туннелирование проявляется даже при протекании в медной проволоке обычного электрического тока.

Идеалом классической механики было стремление к точному и достоверному предсказанию изучаемых явлений и событий. Действительно, если полностью заданы положение и скорость движения механической системы в данный момент времени, то уравнения механики позволяют с достоверностью вычислить координаты и скорость ее движения в любой заданный момент времени в будущем или в прошлом. Ничего подобного не имеется в мире мельчайших частиц материи, о свойствах которых мы можем судить лишь косвенно, по показаниям наших макроскопических приборов.

Наличие у микрочастиц волновых свойств и отсутствие в данный момент одновременно точных значений координаты и импульса свидетельствуют о том, что их движение должно описываться таким уравнением, которое бы учитывало эти особенности. Состояние микрочастицы в квантовой механике задается с помощью волновой функции (пси - функции). Относительно ее и записывается основное уравнение квантовой механики – уравнение Шредингера. В 1926 г. Эрвин Шредингер (1887 – 1961) сформулировал основное уравнение волновой механики. Физический смысл волновой функции состоит в том, что квадрат ее модуля в данной точке пространства равен вероятности нахождения частицы в этой точке. Из этого вытекает, что квантовая механика имеет статистический (вероятностный) характер. Обусловлено это тем, что движение каждой микрочастицы подчиняется вероятностным законам. Зная пси - функцию частицы в данный момент времени, можно найти ее значение и в любой другой момент времени, т.е. предсказать вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства. Это не означает, что квантовая механика менее точна по сравнению с классической. Она значительно глубже отражает истинное поведение микрочастиц и не определяет то, чего нет на самом деле. С развитием квантовой механики в физике утвердился вероятностный детерминизм.

Самым крупным оппонентом квантовой механики был великий Эйнштейн.

Альберт Эйнштейн: «Господь Бог не играет в кости».

Он никогда полностью не разделял идей квантовой теории, считая квантовую теорию либо ошибочной, либо в лучшем случае «истинной наполовину». Эйнштейн был убежден, что за квантовым миром с его непредсказуемостью, неопределенностью и беспорядком скрывается привычный классический мир конкретной действительности, где объекты обладают четко определенными свойствами, такими как положение и скорость, и детерминировано движутся в соответствии с причинно-следственными закономерностями. «Безумие» атомного мира, по утверждению Эйнштейна, не является фундаментальным свойством. Это всего лишь фасад, за которым «безумие» уступает место безраздельному господству разума.

Интересный мысленный эксперимент был придуман А. Эйнштейном совместно с Б. Подольским и Н. Розеном в 1935 г. (парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена). Суть его сводится к следующему: пусть установлено, что невозможно непосредственно измерить в одно и то же время положение и импульс одной частицы; тогда возникает мысль взять вторую частицу – «сообщницу». Располагая двумя частицами, можно одновременно измерить большее число величин. Если бы нам удалось каким-то образом заранее связать движение двух частиц, то измерение, выполненное одновременно над обеими частицами, позволило экспериментатору перехитрить принцип неопределенности. Примером ЭПР – парадокса может служить игра в бильярд. Фундаментальное допущение, из которого исходил Эйнштейн со своими коллегами, было связано с признанием существования «объективной реальности». Они предполагали, что такие характеристики, как положение и импульс частицы, существуют объективно, даже если частица удалена и эти характеристики непосредственно не наблюдаемы. Именно в этом Эйнштейн расходился с Бором. По мнению Бора, просто нельзя приписывать частице такие характеристики, как положение и импульс, если нет возможности реально их наблюдать. Измерение, выполненное кем-то еще («по доверенности») в счет не идет. В 1982 г. был проведен эксперимент, который впервые позволил дать окончательный ответ: Эйнштейн был не прав. Квантовую неопределенность невозможно обойти. Она – неотъемлемая особенность квантового мира и не может быть сведена к чему-то другому.

Специальная теория относительности, созданная А. Эйнштейном в 1905г. изучает свойства пространства и времени, которые не укладываются в представления «здравого смысла». Ее выводы становятся существенными, когда рассматриваемая система движется со скоростью, близкой к скорости света. СТО устраняет абсолютное пространство и время И. Ньютона.

Альберт Эйнштейн: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Теория относительности использует эффект сокращения длины, который вытекает из уравнения Лоренца. Например, если бы нам встретился поезд, несущийся по рельсам со скоростью, равной 99,99% скорости света, он вместе со своими пассажирами показался бы нам сжатым на 1/70 часть своей длины, т.е. примерно на какую-то небольшую долю метра. Уменьшение расстояния с увеличением скорости называется эффектом сокращения длин Лоренца-Фицджеральда в честь сформулировавших его ученых Джорджа Фицджеральда и Хендрика Лоренца. Это один из основополагающих результатов теории относительности. Сокращение длины становится заметным только при скоростях, близких к скорости света, но существование эффекта не вызывает сомнения. Например, линейный ускоритель частиц в Стэнфорде (шт. Калифорния, США) представляет собой прямолинейную трубу длиной около 3 км (в нашей системе отсчета). Однако движущиеся в ней электроны обладают скоростями, столь близкими к скорости света, что в их «системе отсчета» длина ускорителя едва достигает 0,3 м. На практике при проектировании такого ускорителя и работе на нем следует учитывать эффект сокращения длины.

Скорость движения системы отсчета никак не влияет на происходящие в ней процессы и события. Это отчетливо понимал еще Галилей. Данный факт является прямым следствием принципа суперпозиции, или принципа независимости движений. Согласно этому принципу, две различные причины, вызывающие движения одного и того же тела, не влияют друг на друга. Каждая действует так, словно другая отсутствует. Принцип суперпозици имеет два толкования: 1) в классической физике: результирующий эффект от нескольких независимых воздействий; представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. Справедлив для систем или полей, описываемых линейными уравнениями; важен в механике, теории колебаний и волн, теории физических полей. 2) В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, то она может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций (принцип суперпозиции состояний).

Земной шар со всем, находящимся на нем, вращается вокруг солнца и вдобавок вокруг собственной оси. Однако мы совершенно не замечаем этого. Таким образом, для нас Земля представляется системой отсчета. Вообще говоря, характер движения системы отсчета далеко не безразличен. Если она движется прямолинейно и совершенно равномерно, то ее называют инерциальной системой отсчета. Это название обусловлено тем, что в такой системе применение закона инерции не ограничено. Никакая физическая измерительная установка (в том числе и самые чувствительные часы), если она находится в инерциальной системе отсчета, не в состоянии зарегистрировать движение этой системы.

Эйнштейн предложил мысленный эксперимент. В центре вагона поезда, движущегося со скоростью n, висит яркая электрическая лампа. Лампа, вагон и пассажир образуют инерциальную систему, в которой свет распространяется с постоянной скоростью. По мнению пассажира, свет достигает передней и задней стенок вагона одновременно. Однако наблюдатель, находящийся на платформе за пределами вагона, придет к другому выводу. За то время, пока свет от лампы распространяется в направлении движения поезда (и соответственно в обратном), поезд успевает продвинуться на некоторое расстояние. Поэтому в направлении движения свет распространится на несколько большее расстояние, чем в противоположном направлении. Таким образом, свет достигает передней стенки вагона немного позже, чем задней. Два события, которые в движущейся системе отсчета происходят одновременно, в неподвижной разыгрываются одно за другим. Это означает, что «зашаталось» само понятие одновременности двух событий, рассматривавшееся ранее как незыблемое и лежащее в основе многих законов природы. Происходят ли два события одновременно или нет, зависит от системы отсчета, в которой они наблюдаются.

Явление «растяжения» времени привело сначала самого Эйнштейна, а позднее многих его последователей к довольно странным мыслям, от которых, однако, нельзя просто отмахнуться. Примером может служить парадокс близнецов.

Новая физика разрушила не только геометрическую интуицию, но и столь же безжалостно расправилась с привычным представлением о времени. Здравый смысл приучил нас мыслить в понятиях времени, рассматриваемого как нечто универсальное и абсолютное, относительно чего мы отмериваем все события. Теория относительности отвергает столь упрощенный подход. Время, подобно пространству, также способно растягиваться или сжиматься в зависимости от движения наблюдателя. Два события могут считаться, с точки зрения одного наблюдателя, разделенным промежутком времени в один час, с точки зрения другого – одной минутой.

Это не просто психологический эффект. Время действительно можно затянуть или замедлить даже в лаборатории, и зарегистрировать этот эффект можно с помощью точных часов. Чтобы заметить замедление времени, часы должны двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Свет распространяется в пространстве со скоростью около 300 тыс. км/с, что намного превосходит скорость самого современного быстродвижущегося космического аппарата. Тем не менее точность хода современных атомных часов позволяет различить малейшее замедление времени даже на борту реактивного авиалайнера.

Одно из самых сильных замедлений времени, которое удалось создать человеку, происходит на установке в Дарсбери (графство Чешир, Великобритания). Называется эта установка электронный синхротрон и предназначена для ускорения пучка электронов, который проходит по кольцу диаметром 30 м 3 млн раз в секунду. Большие магниты отклоняют электроны от естественного движения по прямой, и каждый оборот по кольцу сопровождается испусканием электромагнитного излучения, называемого синхротронным. Электроны движутся со скоростью лишь на одну десятитысячную процента меньше скорости света; при этом масштаб времени растягивается по сравнению с нашим примерно в десять тысяч раз. Именно это расхождение масштабов времени используют инженеры, для этого главным образом и был построен ускоритель. Хотя частота испускаемого излучения в собственной системе отсчета электронов составляет всего лишь несколько килогерц (т.е. лежит в диапазоне радиочастот), в лабораторной системе отсчета вследствие замедления времени частота увеличивается в тысячи раз. Поэтому испускаемое электронами излучение мы воспринимаем как ультрафиолетовое или рентгеновское.

Замедление времени выступает рука об руку с сокращением длины (теория относительности заставляет нас связывать пространство и время в единое пространство-время), и по мере приближения к предельной скорости – скорости света – оба эффекта беспредельно возрастают. Именно поэтому невозможно преодолеть световой барьер и двигаться со сверхсветовой скоростью, ибо для этого понадобилось бы вывернуть пространство-время «наизнанку» и превратить пространство во время, а время – в пространство, что дало бы возможность телам совершать путешествие в прошлое. Поэтому скорость света является предельной скоростью, с которой могут двигаться во Вселенной тела или распространяться сигналы.

Замедление времени создается также и гравитацией. На крыше здания время течет чуть быстрее, чем у его основания, хотя эффект слишком слаб, чтобы его можно было заметить. Однако специальные «ядерные часы» позволяют обнаружить разность в течении времени даже в масштабах высоты здания. Чтобы проверить, влияет ли гравитация на течение времени, часы помещали на борт летающих на больших высотах самолетов и ракет. Реальность замедления времени не вызывает сомнения; в космосе время течет заметно быстрее, чем на Земле.

По астрономическим меркам гравитационное поле Земли довольно невелико; известны космические объекты, которые вызывают гораздо более сильное замедление времени. Например, на поверхности нейтронной звезды (чайная ложка ее вещества весит больше всех континентов на Земле) гравитация такова, что время может течь вдвое медленнее, чем на Земле. Если гравитационное поле оказывается вдвое больше, чем у нейтронной звезды, то образуется черная дыра. В этом случае звезда полностью коллапсирует, как бы погружаясь в бесконечно замедлившееся время и заточая себя в искривленном пространстве. Грубо говоря, время на поверхности черной дыры по нашей шкале оказывается полностью остановившимся.

То обстоятельство, что время не является абсолютным и универсальным, а подвержено изменениям, подрывает многие представления, основанные на нашем повседневном опыте. Время сугубо относительно. В нашей собственной системе отсчета оно течет своим темпом. Независимо от того, как мы движемся или как меняется гравитационное поле, течение времени нам будет казаться обычным. Необычные эффекты возникают, когда сравнивается время в двух различных системах отсчета. Тогда мы обнаруживаем, что в каждой системе отсчета время течет по-своему и что одна шкала времени, как правило, не согласуется с другой.

Классическая механика является предельным случаем теории относительности. Это составляет содержание методологического принципа соответствия, выдвинутого и сформулированного Н. Бором в 1918 г. Принцип соответствия гласит, что с появлением новой фундаментальной теории старая теория не отбрасывается, а сохраняет свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новой теории. При этом должно выполняться некое граничное условие (например, V < C для классической механики как частного случая теории относительности). Таким образом, принцип соответствия выражает преемственность между старой и новыми знаниями и показывает механизм этой преемственности.

В 1915 г. Эйнштейн обобщил теорию относительности, которая предсказывала возможное сжатие и растяжение пространства в зависимости от движения наблюдателя, включив в нее гравитационные явления. Согласно общей теории относительности (ОТО) гравитация представляет собой просто геометрию пустого пространства и времени, однако она совершенно не похожа на ту, которую мы изучаем в школе. Гравитация – это искривленное пространство-время. Пространство может не только растягиваться и сжиматься, но и изгибаться и скручиваться. Именно такими деформациями пространства объясняется, согласно теории Эйнштейна, гравитация.

Эйнштейн указал ряд примеров, когда искривление пространства и времени можно наблюдать. Один из них — воздействие гравитационного поля Солнца на пространство в его ближайшей окрестности. Во время полного солнечного затмения, когда сияющий диск Солнца заслонен Луной, можно наблюдать небольшие отклонения в положении звезд, расположенных на небе вблизи Солнца, по сравнению с их координатами, зафиксированными в астрономических атласах. Световые лучи, идущие от звезд, заметно отличаются от прямолинейных, что обусловлено искривлением пространства Солнца. Это и другие проверки теории относительности, основанные на гораздо более сильных гравитационных полях нейтронных звезд, убедили физиков в том, что гравитация действительно искривляет пространство. Одно из следствий этого состоит в том, что пространство (строго говоря, пространство-время) следует считать как бы упругим, способным изменять свою геометрическую форму. Иначе говоря, мы можем наблюдать динамику пространства. Например, когда звезда коллапсирует, образуя черную дыру, первоначально слабая деформация пространства в ее окрестности стремительно нарастает, создавая чудовищно деформированное пространство – ловушку, из которой ничто не может выйти наружу. Другим примером может служить расширяющаяся Вселенная: в ней пространство между галактиками непрерывно растягивается.

Способность пространства изменяться и двигаться имеет глубокий смысл для квантовой физики. Принцип неопределенности Гейзенберга «размывает» не только характер движения частицы, но и динамику пространства. Методом математического моделирования установлено, что в масштабах по крайней мере в 10–20 раз меньших размеров атомного ядра структура пространства напоминает пену и характеризуется резкими и спонтанными изменениями (увеличением и уменьшением) кривизны. Подобно тому, как частица «использует» доступные ей траектории движения, пространство в ультрамикроскопических масштабах реализует все возможные движения. В случае частицы речь шла о мириадах призрачных частиц, движущихся каждая по своей траектории. Аналогично мы можем говорить о бесконечном количестве призрачных пространств, каждое из которых имеет конкретную геометрию.

Такая призрачная динамика пространства предполагает, что в очень малых масштабах само понятие «местоположение» утрачивает смысл. Упорядоченное расположение точек, гладкая непрерывность пространства классической геометрии исчезает в пенообразном пространстве-времени. Вместо него мы имеем беспорядочное нагромождение полуреальных пространств-призраков.

Масса связана со скоростью. Релятивистское увеличение массы уже давно относится к числу физических факторов, широко используемых в технике. Всюду, где приходится иметь дело с быстродвижущимися электронами, приращение массы играет важную роль. Многочисленные электронные приборы никогда не смогли бы работать, если бы этот эффект не учитывался в процессе их проектирования.

Происхождение же добавочной массы находит свое объяснение в законе, к которому пришел Эйнштейн при развитии своей теории. Этот закон описывается уравнением, о котором говорят как о самом значительном уравнении нашего столетия: E=mc² Из него получаем m=E/c²

Отсюда видно, что существует принципиальная возможность пересчитать любую массу в энергию и наоборот, причем коэффициентом пропорциональности служит квадрат скорости света. Более глубокий физический смысл этого соотношения заключается в следующем: масса (m) и энергия (E), по существу, одно и то же; они представляют собой не что иное, как две различные формы существования материи.

Например, если один-единственный грамм массы полностью превратить в энергию, то при этом высвобождается 25 млн кВт/ч:

E=mc² =10^-3 кг × 9 × 10¹⁶ м²/c² = 9 × 10³ Дж = 25 × 10⁶ кВт/ч.

И это не утопия, а практически используемый в ядерных силовых установках эффект. В течение 10-часового дня Солнце излучает на европейский континент около 130 млрд. кВт/ч. Это эквивалентно 5 т массы, низвергающейся на нас ежедневно. Она, однако, не остается лежать на Земле неподвижно. Почти такую же массу теряет Земля в результате своего излучения в ночные часы.

Эйнштейн неоднократно упоминал, что еще в детстве он задумывался над тем, что же будет с человеком, запертом в лифте. Если трос оборвется, кабина полетит вертикально вниз. Обычно все описание происходящего в падающем лифте сводится к констатации весьма малоприятных ощущений. Человек вдруг теряет опору под ногами и чувствует, что парит в воздухе. Карандаш, отпущенный им, и его шляпа свободно «висят» в пространстве. Зажженная спичка «задыхается» и гаснет в своем собственном шарообразном пламени, так как в отсутствие силы тяжести она лишена притока воздуха.

Опыт, противоположный описанному, можно провести в космическом пространстве на большом расстоянии от всех звезд – там, где изначально практически отсутствует сила тяжести. Представим себе, что мощный подъемный кран подцепил кабину и поднимает ее со скоростью g = 9,81 м/c². У человека, который находится внутри нее и не знает истинной причины происходящего, создается впечатление, что он вновь в буквальном смысле слова обрел почву под ногами. Все явления, сопровождающие присутствие силы тяжести, налицо, и они ничем не отличаются от тех, к которым мы привыкли на нашей надежной матушке-Земле.

Так Эйнштейн разгадал загадку гравитации. Наличие или отсутствие гравитационного поля – по существу, вопрос выбора системы отсчета. Силу тяжести можно «выключить», сообщив соответствующие ускорение системе отсчета, в которой находится притягиваемое тело. Мы получили ответ на вопрос о соотношении инертной и гравитационной масс. Существует лишь инертная масса, которая в ускоренно движущихся (неинерциальных) системах отсчета проявляется как гравитационная. Таким образом, обе массы не просто пропорциональны друг другу, но идентичны – в этом состоит принцип эквивалентности. Он утверждает, что с точки зрения механики не существует никакого различия между неускоренной системой при наличии гравитационного поля и ускоренной системой в его отсутствие.

Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1). свойства пространства-времени зависят от движущейся материи;

2). луч света, обладающий инертной, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. В частности такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как указывает Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения.

3). частота света в результате действия поля тяготения должна изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного спектра под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного света по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Этот эффект, по мнению Эйнштейна, также может быть обнаружен в опытах. Все это принципиально ново, и для утверждения ОТО нужна была ее экспериментальная проверка.

В 1922 – 1925 гг. были предприняты более точные измерения во время солнечных затмений. Результаты их еще сильнее совпадали с предсказаниями теории. Красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. при наблюдении спутника Сириуса. Экспериментальное подтверждение выводов из теории относительности явилось ее триумфом, а сама она становится эпохальным открытием.

Макс Борн сказал об ОТО: «Я считал и считаю поныне, что это величайшее открытие человеческой мысли, касающееся природы, открытие, в котором, удивительнейшим образом сочетаются философская глубина, интуиция физика и математическое искусство».

Создание ОТО привело к выработке новой «метрики» пространства-времени, где на смену евклидовой метрики, в которой пространства и время рассматриваются независимыми друг от друга и в которой пространственные и временные масштабы сохраняют неизменность по отдельности друг от друга в различных системах отсчета, приходит видоизмененная метрика, с пространственно-временным континуумом, называемым псевдоевклидовым пространством Германа Минковского (1864 –1909), в котором время эквивалентно пространственным координатам, играет роль четвертого измерения в этом континууме и в котором инвариантным относительно преобразований Лоренца является четырехмерный мировой интервал. Применение этой новой «метрики» ко всей физики приводит к видоизменению ньютоновских законов движения на случай больших скоростей и к закону взаимосвязи массы тела и энергии: Е = mc².

В дальнейшем все известные физические законы были записаны в четырехмерном формализме Минковского, в результате чего была создана новая релятивистская (relativ — относительный) физическая исследовательская программа, пришедшая на смену механистической исследовательской программе.

ОТО произвела переворот в космологии. Вокруг теории относительности развернулись острые философские дискуссии, появилось множество книг, посвященных ее научному и научно-популярному изложению. Эти дискуссии продолжаются и по сей день.

Характерной чертой современной естественнонаучной картины мира является ее диалектичность. Природа рассматривается в развитии. Многие сущности, считавшиеся ранее независимыми или даже противоположными, оказались в диалектическом единстве: пространство и время, масса и энергия, частица и волна, симметрия и асимметрия, дискретность и непрерывность, упорядоченность и хаос, вещество и поле. На фундаментальном уровне природа является единой, и это отражает современная картина мира.

Современная картина мира является как бы двуплановой: в картину объекта вплавляется картина измерения (субъекта). Поэтому она уже не является «стерильно объективной» и перестает быть только естественнонаучной. Она несет в себе собственную методологию познания, т.е. становится научно-методологической. Новая физика восстанавливает центральное положение разума в природе. Квантовая теория в обычной интерпретации приобретает смысл лишь с введением того или иного наблюдателя. Акт наблюдения в квантовой физике является не побочным обстоятельством, а средством получения информации, уже существующей во внешнем мире, наблюдатель весьма основательно вмешивается в микромир, и описание, содержащееся в уравнениях квантовой физики, явно включает акт наблюдения.

Новая физика резко контрастирует с традиционным редукционистским подходом. Квантовый подход решительно отвергает лапласовский детерминизм, отрицая, что мир можно объяснить лишь как сумму его составных частей. Макромир и микромир оказываются тесно связанными. Только подход к системе как целому дает возможность познания свойств микромира. Большое и малое сосуществуют. Одно не исчерпывает другого, как равным образом второе не «объясняет» полностью первого.

Неклассическая физика заставляет отказаться не только от непосредственной наглядности, но и от наглядности как таковой. Отказ от наглядности научных представлений является неизбежной платой за переход к исследованию более глубоких уровней реальности. Это препятствует представлению физической реальности.

Альберт Эйнштейн: «Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и неоднозначно определены внешним миром… В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения…».

В физике ХХ в. наряду с принципами суперпозиции, неопределенности, дополнительности и соответствия, действует методологический принцип симметрии.

Принцип симметрии перекликается с представлениями о гармонии в Античности, а сам термин «симметрия» означает правильность, соразмерность формы. Обычно под симметрией понимают зеркальную симметрию (когда левая половина предмета зеркально симметрична правой), либо центральную (пропеллер). Но с точки зрения «соразмерности» под симметрией понимается неизменность предметов, физических явлений при любых операциях (при перемещении из одного места в другое или при изменении момента отсчета времени). Самая простая симметрия — однородность и изотропность пространства (эквивалентность всех направлений). На практике это означает, что все физические явления и геометрические свойства не зависят от перемещений и поворотов, а все физические приборы (часы, телефон) должны работать одинаково в разных точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия. Другая важная симметрия — однородность времени. Это означает, что все физические процессы протекают одинаково, когда бы они не начались. Симметрия времени нарушается в слабых распадах элементарных частиц — нейтральных К-мезонов. Эти нарушения малы, но приводят к абсолютному различию между частицами и античастицами. Симметрия пространства-времени является всеобщей (все симметрии объединяются в одну — всеобщую) — все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в четырехмерном пространстве-времени. Симметрии делятся на пространственные и внутренние, последние означают неизменность явлений при внутренних изменениях полей и частиц.

Важнейшее следствие симметрии состоит в том, что каждой симметрии, как внутренней, так и пространственной, соответствует свой закон сохранения. Например, закон сохранения энергии есть строгое следствие однородности времени, а закон сохранения импульса (количества движения) следует из однородности пространства. Это же относится и ко всем остальным симметриям.

Удивительные свойства природы открываются в своеобразной игре фундаментальных констант, и оказывается, что существуют поразительные совпадения значений констант (числовых выражений) в самых различных областях естествознания, взаимосвязь между нижними и верхними пределами констант. Разум постоянно ищет в бесконечном разнообразии окружающего мира повторяемость, «устойчивость» — константы, инварианты, симметрии. Но стоит найти одну такую группу инвариантов (величин, законов, остающихся неизменными при определенных обстоятельствах), как вскоре обнаруживается их нарушение в определенных условиях, вынуждающих искать новые, более фундаментальные.

Сложная структура пространства-времени нашей Вселенной на современном этапе развития физики раскрывает возможность сведения всех внутренних симметрий к геометрическим, пространственно-временным симметриям. Основанием для этого является тот факт, что все внутренние симметрии имеют одну природу. Современная теоретическая физика свидетельствует о том, что все многообразие физического мира проявлено вследствие нарушений определенных видов симметрии.

Симметрии мы можем наблюдать повсюду: и в окружающем нас материальном мире. Симметрия как философская категория означает процесс существования и становления тождественных моментов в определенных условиях и определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира.

Калибровочный принцип (калибровочная симметрия, калибровка означает изменение уровня или масштаба) оказался важным инструментом теоретической физики, на котором строится единая теория всех взаимодействий. История же самодвижения Вселенной отмечена датами спонтанного нарушения симметрии, моментами, когда проявляется различие между типами физических взаимодействий, когда микрообъекты приобретают массы, заряды и другие характеристики, что в конечном счете, приводит ко всему последующему многообразию физического мира. Примером здесь может служить существующая в современной физике классификация элементарных частиц.

Наиболее распространенной и наглядной иллюстрацией спонтанного нарушения симметрии является пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии. Пусть тело находится на вершине «мексиканского сомбреро» (или на донышке бутылки). Очевидно, что симметричному решению исходной вращательной симметрии соответствует тело, находящееся на верхушке сомбреро. Однако это положение является неустойчивым, и, в конце концов, тело скатится в одно из устойчивых состояний, соответствующих минимуму энергии. При этом наблюдаемое состояние уже не отражает исходной вращательной симметрии, которая, тем не менее, по-прежнему существует. Эта идея присутствует и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии.

Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму взаимодействия и взаимодополнения симметрии и асимметрии.