Okonskaya_Reznik_Filosofskie_problemy_nauki_i_tekhniki-1

В очень 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 в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700000 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 относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

Эйнштейн соединил материю, движение, пространство и время в единый пространственно-временной КОНТИНУУМ.

Примечание. В четырехмерном пространственно-временном континууме пространство есть процесс длительности вещи в длину,

высоту, ширину, и время есть длительность вещи от начала ее до конца.

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

51

Вопрос 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).

Динамический закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.

Абсолютизацию динамических закономерностей и, следовательно,

механического детерминизма, обычно связывают с П. Лапласом, который считал, что все явления в природе предопределены с «железной» необходимостью. Случайному нет места в нарисованной Лапласом картине

52

мира. Классический механический детерминизм был назван еще жестким или лапласовским детерминизмом.

Предсказания, сделанные на основе динамических законов, имеют достоверный и однозначный характер. Но динамические законы не универсальны и не единственны. Следующим этапом познания законов природы являются статистические законы, открытые во второй половине ХIХ века для явлений микромира. Предсказания, сделанные на их основе,

являются не определенными, а только вероятными.

Представления о закономерностях особого типа ввел Максвелл в

1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Максвелл ввел в физику понятие вероятности, которое раньше использовали математики.

Многочисленные физические и химические опыты показали, что в принципе невозможно не только проследить изменения импульса или положения одной молекулы на протяжении длительного времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа в данный момент времени. Ведь число молекул в 1 см3 газа или атомов в макроскопическом теле имеет порядок от 1019 до 1023. Из макроскопических условий, в которых находится газ (tº, объем, давление)

не вытекают с необходимостью определенные значения импульсов и координат молекул. Их следует рассматривать как случайные величины,

которые в данных макроскопических условиях могут принимать различные значения.

На фоне множества случайных событий обнаруживается определенная закономерность, выражаемая числом. Это число – вероятность наступления именно данного события – позволяет определить статистические средние значения выпадения именно такого импульса для всех молекул газа. Получают эту вероятность делением рассчитываемого

53

импульса на число всех молекул, что позволяет сосчитать вероятностные распределения молекул газа по разным импульсам.

Статистические законы не отрицают причинности, но детерминизм статистических законов есть вероятностный детерминизм, истинное значение которого стало очевидным после создания квантовой механики,

– статистической теории, описывающей движение микрочастиц и состоящих из них систем. В результате был сделан вывод о том, что открытие динамических законов – это первый, низший этап в познании окружающего нас мира, а открытие статистических законов – более высокий этап познания.

Статистические законы отображают реальные физические процессы глубже, чем динамические. Не случайно статистические законы познаются вслед за динамическими.

Возвращаясь к проблемам причинности (детерминизма), мы делаем вывод, что на основе динамических и статистических законов возникает динамическая и вероятностная причинность. Эмпирические

(динамические) и статистические подходы к познанию свойств вещества дополняют друг друга.

Однако процесс познания детерминизма (постнеклассический этап развития физики, в частности) еще не завершен, предполагается дальнейшее углубление понимания законов детерминизма в микромире

Б.Г. Кузнецов. Эйнштейн. АН СССР, М., 1963. – 416 с.)

Вопрос 6. Принципы современной физики.

Наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, были названы принципами современной физики.

1. Принцип симметрии и законы сохранения.

Симметрия в физике – это свойство физических величин оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях.

Из принципа симметрии вытекают законы сохранения.

54

Симметрия (симметрии) — одно из фундаментальных понятий в современной физике, играющее важнейшую роль в формулировке современных физических теорий. Симметрии, учитываемые в физике,

довольно разнообразны, начиная с симметрий обычного трёхмерного

«физического пространства» (такими, например, как зеркальная симметрия), продолжая более абстрактными и менее наглядными (такими как калибровочная инвариантность).

Некоторые симметрии в современной физике считаются точными,

другие — лишь приближёнными. Также важную роль играет концепция спонтанного нарушения симметрии.

Исторически использование симметрии прослеживается с древности,

но наиболее революционным для физики в целом, по-видимому, стало применение такого принципа симметрии, как принцип относительности

(как у Галилея, так и у Пуанкаре — Лоренца —Эйнштейна). Этот принцип стал затем образцом для введения и использования в теоретической физике других принципов симметрии (принцип общей ковариантности,

являющийся прямым расширением принципа относительности).

Суперсимметрия или симметрия Ферми — Бозе —гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Ожидается, что Большой адронный коллайдер сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено.

Принцип соответствия

Утверждает преемственность физических теорий. Был сформулирован датским физиком Нильсом Бором в 1923 г.

В общей форме этот принцип формулируется так: теории,

доказанные экспериментально для определенной группы явлений, с

построением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых

55

теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория,

переходят в выводы этих старых теорий. Теория Ньютона является частным (предельным) случаем общей теории относительности Эйнштейна.

Новые теории не отрицают старых именно потому, что старые теории отражают объективные закономерности природы.

Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей

Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Каким образом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объекта? Ответ на этот вопрос Нильс Бор дал в 1927 г.

Прежде всего, подчеркнул ученый, наши органы чувств не воспринимают микропроцессы. Для этого есть соответствующие макроскопические приборы.

Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализировано как отдельно взятое, а обязательно должно включать в себя взаимодействие с классическим макроскопическим прибором. С помощью такого прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо – волновые, но не те и другие одновременно. Обе стороны объекта должны рассматриваться как дополнительные друг к другу.

Согласно принципу дополнительности Н. Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий

(частица и волна). Только совокупность измерений в обоих направлениях дает полную информацию о квантово-механических явлениях как о целостных.

56

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Пример: частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками. Она не характеризуется ни каким-либо определённым «положением» (волновая функция частицы делокализована на всё пространство коробки, то есть ее координаты не имеют определенного значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки), ни определённым значением импульса (учитывая его направление!). Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения.

Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Рассмотрим переменный во времени сигнал, например, звуковую волну.

Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом, теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как его имеет очень короткий импульс, и точного значения частоты, как это имеет место для непрерывного (и в принципе бесконечно длительного) чистого тона

(чистой синусоиды).

Принцип суперпозиции

Данный принцип имеет особое значение в квантовой механике (а в квантовой физике выполняется лишь приближенно). Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов,

вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Другими

57

словами данный принцип можно выразить следующими

закономерностями:

Взаимодействие между двумя частицами не изменяется при внесении третьей частицы, также взаимодействующей с первыми двумя.

Энергия взаимодействия всех частиц в многочастичной системе есть просто сумма энергий парных взаимодействий между всеми возможными парами частиц. В системе нет многочастичных взаимодействий.

Уравнения, описывающие поведение многочастичной системы,

являются линейными по количеству частиц.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы,

воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма – принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью.

Но если песок, поднятый ветром, ухудшает работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний,

теории цепей, теории полей и других разделах физики. В микромире принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

Основы термодинамики

Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура», и позволила теоретически предсказать многие

58

явления задолго до появления строгой теории этих явлений. Начиная с постулатов (к примеру, первый, или основной, постулат термодинамики утверждает, что у изолированной системы существует состояние термодинамического равновесия, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из него не может),

термодинамика в своем развитии созрела до формулировки важных законов:

Первый закон термодинамики.

Формулировка:

В изолированной термодинамической системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

Этот закон является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой. Из этого закона следует, что уменьшение общей энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел. Существуют другие формулировки этого закона:

1.Не возможно возникновение или уничтожение энергии (эта формулировка говорит о невозможности возникновения энергии из ничего и уничтожения ее в ничто).

2.Любая форма движения способна и должна превращаться в любую другую форму движения (эта философская формулировка подчеркивает неуничтожимость энергии и ее способность взаимопревращаться в любые другие виды энергии).

3.Вечный двигатель первого рода невозможен. (Под вечным двигателем первого рода понимают машину, которая была бы способна производить работу не используя никакого источника энергии).

4.Теплота и работа являются двумя единственно возможными формами передачи энергии от одних тел к другим.

59

Переходим к исследованию второго закона термодинамики.

Если первый закон термодинамики утверждает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту, не устанавливая условий, при которых возможны эти превращения, то практика требует формулирования этих условий. Повседневные наблюдения и опыты показывают, что теплота сама может переходить только от нагретых тел к более холодным

(до полного равновесия). Только за счет затраты работы можно изменить направление движения теплоты. Это свойство теплоты резко отличается от работы. Работа легко и полностью превращается в теплоту.

В тепловых машинах превращение теплоты в работу происходит только при наличии разности температур между источниками теплоты и теплоприемниками. При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Закон, позволяющий указать направление теплового потока, и

устанавливающий максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах является вторым законом термодинамики.

Второй закон термодинамики

Формулировка:

Вечный двигатель второго рода не возможен (под вечным двигателем второго рода понимается машина, которая могла бы превращать всю подводимую к ней теплоту в работу. Такая машина имела бы КПД = 1).

Другая формулировка этого закона:

Стопроцентное превращение теплоты в работу посредством

тепловой машины-двигателя невозможно. Условия работы тепловых

машин:

тепловая машина всегда работает в определенном перепаде температур. (Это значит, что для работы такой машины необходимо иметь по крайней мере 1 источник теплоты, и 1

приемник теплоты);

любая тепловая машина должна работать циклично, т.е.

рабочее тело, совершая за определенный промежуток времени

60