2.2.3НЕКЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА

1.Релятивистская картина мира

Теория относительности или релятивистская (лат. relativus - относитель- ный) механика перевернула представления о пространстве, времени, строе- нии материи и существенным образом повлияла на развитие научного миро- воззрения. Сегодня она является общепризнанной теорией. Ее отцом по пра- ву считают А.Эйнштейна (1879-1955).

В 1905 году он опубликовал статью «К электродинамике движущихся сред», идея которой заключалась в том, что при описании явлений природы нужно отказаться от ньютоновских понятий абсолютного пространства и аб- солютного времени. А.Эйнштейн отказался от господствовавшей в то время теории мирового эфира, высказал и обосновал два постулата:

-Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) и равна 108 м/с.

-Законы природы и выражающие их уравнения инвариантны во всех

ИСО.

Эти постулаты легли в основу специальной теории относительности (СТО). Cправедливости ради следует отметить, что почва для ее рождения готовилась физикой всю вторую половину XIX века. Ее математический ап- парат был заложен в работах немецкого математика и физика, Г.Минковского (1864-1909) и А.Пуанкаре (1854-1912) - крупнейшего французского матема- тика, физика и философа. Значительный вклад в ее становление внесли аме- риканец А.Майкельсон (1852-1931), англичанин Фицджеральд (1851-1901) и нидерландский физик Г.Лорентц (1853-1928). Майкельсон измерил скорость света и доказал ее постоянство. Она оказалась равной ~ 300 000 км/с. Это ог- ромная скорость по сравнению со всеми наблюдаемыми в природе скоростя-

ми. Например, скорость современного самолета 0,5 км/c, орбитальная ско- рость движения Земли 30 км/с. Фицджеральд и Лорентц объяснили резуль-

таты опытов Майкельсона и предложили гипотезу о сокращении линейных размеров тел, движущихся с околосветовыми скоростями. Но лишь глубокая интуиция и понимание физической природы реальности, присущие А.Эйнштейну, помогли ему связать физику с геометрией и сформировать представления о пространстве, времени и гравитации, отличные от классиче- ских.

В СТО пространство и время связаны через движение, а положение тела описывается четырьмя координатами: x, y, z, t. Теперь уже речь идет не про- сто о пространстве или просто о времени, а о «пространстве-времени», кото- рое характеризуется величиной, называемой интервалом, и связывающей пространственные расстояния и промежутки времени, разделяющие два со- бытия. Интервал является инвариантом.

Свойства объектов (масса, длина) и время протекания процессов зави- сят от скорости движения системы отсчета, в которой находится объект или протекает процесс. С увеличением скорости тел возрастает их масса, а линейные размеры в направлении движения сокращаются, замедляется время протекания процессов (Рис. 4). Одновременность двух событий, протекаю-

103

щих в разных ИСО относительна. Иной, чем в классической механике вид имеет и закон сложения скоростей.

Уравнения СТО, описывающие движение тел со скоростями, близкими к скоростям света, составляют основу релятивистской механики. При малых скоростях движения v << c, эти уравнения переходят в уравнения классиче- ской механики. В этом проявляется важнейший методологический принцип естествознания - принцип соответствия, выражающий требование преем-

ственности знаний при переходе от более сложных моделей мира к более простым.

Y

m, l, t (классическая механика)

V

Рис. 4 Зависимость m, l, t от скорости движения тела в классической и ре-

лятивистской механиках

СТО, раскрыв взаимосвязь пространства и времени между собой, не смогла ответить на вопросы о том, как связаны они с телами, находящимися в пространстве, и полями тяготения. Процесс поиска ответа на эти вопросы за- вершился построением общей теории относительности (ОТО). Оказалось,

что сами материальные тела, их распределение в пространстве и движение полностью определяют геометрию пространства и свойства времени.

Вблизи массивных тел силовые линии гравитационного поля искривляются и пространство становится римановым. Принцип относительности в ОТО при- обретает еще более общую форму: движение тел в неинерциальной системе отсчета подчиняется тем же законам, что и движение в инерциальной системе в присутствии гравитационного поля.

Большинство выводов ОТО пока невозможно достаточно полно под- твердить, их доказательство находится либо за пределами точности совре- менной измерительной аппаратуры, либо относится к космическим объектам, которые пока не удалось обнаружить. Современная наука сумела поставить лишь несколько подтверждающих экспериментов. Попытки теоретических расчетов также в ряде случаев дают противоречивые результаты. Например, модельные расчеты полей тяготения для материальной точки и шара показа- ли, что эти тела создают вокруг себя поле, энергия которого равна нулю.

104

Для того, чтобы снять это противоречие, Эйнштейну пришлось ввести допущение, что гравитационное поле не имеет энергии в отдельной точке пространства, она как бы принадлежит всему полю в целом. На сегодняшний день нет сколько-нибудь достойной гипотезы, способной полностью разре- шить это противоречие.

В рамках ОТО Эйнштейном была установлена эквивалентность между инертной и тяготеющей массами, между массой и энергией и получено урав-

нение, связывающее их:

E = mc2.

Масса и энергия проявляются одна через другую. И в элементарных ак- тах превращения они могут переходить одна в другую. Такая интерпретация

позволяет объяснить кажущееся невыполнение закона сохранения массы при радиоактивном распаде, когда масса распадающейся частицы оказывается большей, чем сумма масс образовавшихся частиц. Очевидно, здесь необхо- димо говорить не о законах сохранения массы или энергии, а о законе сохра-

нения массы - энергии.

Несмотря на то, что наука пока не имеет фактов опровергающих выводы теории относительности, необходимо понять, что это тоже физическая мо- дель, которая имеет определенные ограничения. Ее выводы справедливы в макромире. Но что произойдет, если ее положения перенести на микромир? Не придется ли вводить некую фундаментальную длину L - своеобразный квант пространства? Если это окажется возможным, то не придется ли вво- дить и квант времени L/c ? Существование этих квантов поставит предел де- лимости материи и ограничение точности измерений пространственных раз- меров и временных интервалов.

2. Квантово-полевая картина мира

Разрешение затруднений классической физики в описании явлений мик-

ромира было связано с осознанием ограниченности применения ее моделей для этой области, необходимости смены аксиоматического аппарата и разра- ботки новых методов исследования. Завершилось оно рождением новой ме- ханики - квантовой - теории, устанавливающей способ описания и законы движения микрочастиц во внешних полях.

Первой важной вехой в ее становлении стала квантовая гипотеза Планка- Эйнштейна: свет излучается, распространяется и поглощается квантами,

энергия которых определяется выражением

E = hν,

где ν - частота излучения, h= 6,62*10-34 Дж*с - постоянная Планка. Сочетание этой гипотезы с методами классической науки позволило по-

строить непротиворечивую теорию фотоэффекта и объяснить закономерности в спектрах нагретых тел.

Вторым важным моментом в становлении новой физики стала теория атома водорода, разработанная Н.Бором. Принятая в начале века планетарная модель представляла атом водорода как систему, состоящую из тяжелого яд- ра и вращающегося вокруг него легкого электрона. Как известно из механи-

105

ки, любая частица, движущаяся по круговой орбите, обладает ускорением. В то же время, исходя из электромагнитной теории, заряд, движущийся уско- ренно должен излучать энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен уменьшаться, а траектория движения иметь вид спирали. Через про- межуток времени 10-9с электрон упадет на ядро, и атом как самостоятельная химическая единица перестанет существовать. Однако большинство химиче- ских элементов стабильно, благодаря чему и существуют устойчивые неорга- нические и органические соединения, планеты, строения и сооружения, раз- нообразные биологические формы и сам человек. Кроме того, при движении

электрона по спирали его излучение должно было бы иметь сплошной спектр. Наблюдаемые же в эксперименте спектры атомов дискретны и пред- ставляют серии узких спектральных линий. Для преодоления этих противоре- чий Бору пришлось ввести два постулата и понятия «стационарная орбита» и «стационарное состояние», существование которых подтвердили проведен- ные в 1913 году опыты Франка и Герца:

-Большую часть времени электроны в атомах находятся на стационар- ных орбитах, при движении по которым они не излучают и не поглощают энергии.

-Излучение или поглощение происходит при переходе электрона с од- ной стационарной орбиты на другую, при этом выполняется условие:

ν=(E2-E1)/h,

где Е2 и Е1, соответственно энергии стационарных состояний.

Для построения непротиворечивой теории спектра атома водорода дос- таточно было знать законы квантования энергий, моментов количества дви- жения и правила, разрешающие тот или иной переход (правила отбора). Од- нако для построения теории излучения многоэлектронных атомов этого ока- залось недостаточно. Необходимо было знать, какие законы управляют рас- пределением электронов по энергетическим состояниям. Понимание этого пришло лишь после открытия спина электрона (англ. spin - вращение, собст- венный момент количества движения микрочастицы) - собственного механи- ческого и магнитного моментов и законов их квантования. Это позволило

охарактеризовать состояние электронов в атоме с помощью набора квантовых чисел, определяющих возможные дискретные (квантованные) значения энер- гии, орбитального и спиновых моментов, а также найти их распределение по стационарным орбитам (или уровням).

В 1925 году швейцарский физик-теоретик В.Паули (1900-1958) обосно- вал принцип: в любой квантовой системе два или более электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это фун- даментальный закон природы, ему подчиняются все частицы с полуцелым спином, к которым относится электрон. Совместное действие закона мини-

мума энергии и принципа Паули определяет закономерности заполнения электронных оболочек атомов, периодичность их свойств, валентность и ре- акционную способность.

Формирование новых представлений о природе корпускулярно - волно- вого дуализма завершило подготовительный этап в развитии квантовой физи-

106

ки. В 1924 году француз Луи де Бройль (1892-1987) пришел к мысли о том, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаменталь- ным свойством материи и присуще не только излучению (полю), но и веще- ству. С любым движущимся материальным объектом можно сопоставить корпускулярные характеристики - координаты в пространстве (т.е. траекто- рию), энергию, импульс, и волновые - длину волны или частоту. Для характе- ристики движущегося объекта могут быть использованы выражения, считав- шиеся ранее справедливыми только для фотона:

E = hν; р = E/c; λ = h/p = h/mv,

где р- импульс объекта.

Если применить эти выражения к летящему теннисному мячу, то сопос- тавимая ему длина волны окажется равной 4,6*10-34м. Попробуйте измерить такую длину волны! Никакая даже современная техника (не говоря уж о тех- нике двадцатых годов) не может этого сделать. Поэтому гипотеза де Бройля показалась современникам сумасшедшей даже по сравнению с идеями тео- рии относительности. Электрон, который все считали шарообразной микро- частицей с зарядом 1,6*10-19Кл, оказывается и вовсе не частица, а волна. Он не имеет определенной траектории, как же тогда можно говорить об элек- тронных орбитах?

Разрешение этой парадоксальной ситуации привело Н.Бора к открытию

принципа дополнительности:

Ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим об- разом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. «Несовместимости» с точки зрения классической науки в рамках не- классической не исключают, а дополняют друг друга.

Эти «несовместимости» представляют не реализуемые друг без друга две стороны одной медали.

В 1927 году американцами К. Дэвиссоном и Л. Джермером и независимо от них советским ученым П.С.Тартаковским волновые свойства электронов были обнаружены в эксперименте по дифракции электронов на кристалличе- ских структурах. Экспериментально измеренная длина волны λэ = 1,23*10-10м совпала с большой точностью с рассчитанной по формуле де Бройля. Позднее будут обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц.

Дальнейшие исследования в области микромира показали, что затрудне- ния Бора были вовсе не случайными. Дело в том, что он в своей теории по- пытался объединить необъединяемое: квантование энергии и импульса элек- трона с представлением о нем как некоем заряженном шарике, движение ко- торого по орбите подчиняется законом классической механики. Построение такого «кентавра» оказалось бесперспективным, но оно стимулировало уче-

ных на пересмотр классических представлений о фундаментальных свойствах материи на уровне микромира. Микрочастицы сами по себе не являются ни корпускулами, ни волнами, ни их симбиозом. Их просто невозможно пред- ставить наглядно. Но это не мешает нам использовать условные модели и ма- тематические абстракции для объяснения их свойств - массы, спина, энергии,

импульса, времени жизни и других. Микрочастицы имеют потенциальную

107

способность проявлять корпускулярные или волновые свойства в зависимо-

сти от условий наблюдения. Наблюдая их треки в камере Вильсона, мы мо- жем охарактеризовать корпускулярные свойства микрочастиц. Наблюдая их дифракцию на различных структурах, мы можем охарактеризовать их волно- вые свойства.

Исторически первой квантовой теорией была матричная механика не- мецкого физика В.Гейзенберга (1901-1976). Но наиболее широкое распро-

странение для описания микромира получило уравнение австрийца Э.Шредингера (1887-1961), который, используя гипотезу де Бройля и ряд других соотношений, разработал волновую (квантовую) механику, доказал ее идентичность с матричной механикой Гейзенберга, вывел дифференциальное уравнение, описывающее характер поведения электрона в атоме. При этом

ему пришлось ввести так называемую волновую функцию Ψ = Ψ(x,y,z, t), физи- ческий смысл которой был истолкован позднее М.Борном (1882-1970): квад-

рат модуля волновой функции IΨI2 пропорционален плотности вероятности нахождения частицы в данной точке объема. То есть волны де Бройля - это не волны в классическом смысле, их нельзя представить в виде механических или электромагнитных, это волны вероятности. Уравнение Шредингера име- ет вид:

НΨ(x,y,z, t) = ЕΨ(x,y,z, t),

где Н - функция, которая в квантовой физике называется «оператор» (преобразователь), Е - «собственное» значение энергии электрона. Волновая функция лишь вероятностно описывает поведение электрона в атоме. Вместо классической орбиты электрона рассматривается своеобразное «электронное облако», плотность которого в пространстве распределяется пропорциональ- но IΨI2. Она симметрична по отношению к перестановке так называемых тождественных частиц. При перестановке частиц с полуцелым спином (электронов, протонов) она меняет знак, то есть, асимметрична, при переста- новке частиц с целым спином она симметрична.

IΨI2

Рис.5 Распределение электронной плотности в атоме водорода (основное состоя-

ние)

108

Вид распределения электронной плотности зависит от состояния элек- трона. В атоме водорода (в основном состоянии) оно имеет вид, приведенный на рис. 5. Максимум электронной плотности приходится на область, соответ- ствующую радиусу первой боровской орбиты, а нахождение электрона внут- ри сферы радиусом r=0,59A (1A=10-10м) является наиболее вероятным. У бо- лее сложных атомов оно существенно отличается от приведенного, а форма электронного облака - от сферической.

Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микро- частицам элементы случайного в их поведении. Это значит, что предсказания в квантовой механике, в отличие от классической, имеют вероятностный ха- рактер, а случайность поведения присуща не только коллективу частиц, но и одной, отдельно взятой частице.

Эта специфика проявляется в фундаментальном законе, открытом в 1927 году Гейзенбергом - соотношениях неопределенности, смысл которых за- ключается в том, что

невозможно одновременно с одинаковой точностью определить ко- ординату и импульс (скорость) или энергию и время взаимодействия час- тиц:

Dp*Dx ³ h/2p , DЕ*Dt ³ h/2p ,

где величина D и отражает неопределенность (погрешность) в определе- нии характеристики микрочастицы. Исходя из него необходимо учитывать, что величины координат и импульсов (или энергии и времени взаимодейст- вия) сосредоточены в некоторой области значений Dp и Dх, в которой распре- делены по вероятностному закону. Это утверждение имеет еще одно название

- принцип неопределенности.

Несмотря на то, что все законы микромира носят вероятностный харак- тер и могут быть сформулированы только на языке распределений, они очень точно предсказывают течение ядерных процессов и их результат.

Рассматривая вероятностный характер поведения микрочастиц, совре-

менная наука пришла к выводу, что именно статистические, а не динамиче- ские закономерности являются фундаментальными. Это значит, что фунда-

ментальность динамических закономерностей проявляется только в рамках механической картины мира. Законы сохранения не отменяют вероятностной природы процессов, они лишь формируют условия, при которых вероятность протекания определенных процессов равна нулю. Например, сохранение мас- сы, импульса, энергии, заряда и других величин жестко выполняется только в закрытых системах. В квантовой механике яркой иллюстрацией этому явля- ются правила запрета для энергетических переходов (правила отбора). Пра- вила отбора и свойства объектов определяют характер спектров в радиовол- новой, оптической и рентгеновской областях шкалы электромагнитных волн.

Применение принципа неопределенности к квантовым системам позво- лило объяснить такие необъяснимые с точки зрения классической физики яв- ления как туннельный эффект (просачивание a-частиц сквозь потенциальный барьер) и ряд других. Более того, его философское осмысление показало, что

109

случайность и неопределенность есть фундаментальное свойство природы и присуще всему, начиная от элементарных частиц до одухотворенной дея- тельности человека.

Гейзенберг первым поставил вопрос о влиянии наблюдателя, приборов и условий на производимый эксперимент, полученные в его ходе результаты и их интерпретацию. Если классическая физика понимает роль эксперимента- тора как стороннего наблюдателя, то в квантовой механике он является со- ставной частью системы, в которой наблюдается явление, и принципиально неотделим от объекта наблюдения. Он не просто «созерцатель» событий, происходящих в исследуемой системе, он их активный участник. Используя измерительные приборы, он, пусть и незначительно, но вмешивается в ход протекающих событий. И не учитывать этого нельзя.

В процессе становления квантовой механики удалось установить некото- рые фундаментальные принципы, отражающие закономерности природы и принципы, позволяющие найти соотношения между новой и старой картина- ми мира (принцип дополнительности, принцип соответствия, принцип неоп- ределенности и др.). Квантовая механика смогла объяснить электронную структуру химических элементов и спектральные закономерности, обосно- вать периодическую систему, построить теорию химической связи, стать ба- зой для развития квантовой химии и фотохимии. Под ее влиянием сформиро- вались новые направления синтетической химии, сложились новые представ- ления о строении жизненно важных биополимеров и их метаболизме ( пре- вращении) в живых организмах. Она подвела к пониманию принципиального отсутствия абсолютного знания и внешнего абсолютного наблюдателя, к при- знанию его частью развивающейся системы, и существенно повлияла на представление о причинно-следственных связях, заложенное в классическом детерминизме.

Рождение квантовой механики было сложным и трудным. Ее понятия, представления и абстракции нелегко давались и самим ученым. Об этом сви- детельствуют их собственные многочисленные воспоминания о том, как му- чительно шел процесс становления знаний, поисков философских обоснова- ний теории и смены мировоззрения. Планк, выдвинувший квантовую гипоте- зу, до конца жизни тяготился ею и пытался искать компромиссные варианты. Эйнштейн, сомневаясь в вероятностном характере поведения микрочастиц, утверждал: «бог не играет в кости», Шредингер, получивший свое знамени- тое уравнение, поначалу затруднялся объяснить физическую суть волновой функции. Гейзенберг до последних дней пытался найти «мировую формулу»

-уравнение, из которого можно получить весь спектр свойств элементарных частиц.

Вслед за рождением квантовой механики последовал целый каскад принципиальных изменений в других областях естествознания, в основу ко- торых были заложены новые представления о структуре микромира. В химии

-это, прежде всего, квантовая химия, в биологии - новый виток в развитии молекулярной биологии и молекулярной генетики. Развитие идей квантовой

механики способствовало появлению и развитию новой экспериментальной

110

техники и новых теоретических методов исследования строения вещества (молекулярная, атомная и ядерная спектроскопия, квантовая теория прово- димости, нелинейная оптика и т.д.). Благодаря квантовой механике на новую ступень поднялась ядерная физика, что имеет огромное значение для жизни человечества: это возможности использования энергии ядра, поиски путей получения энергии за счет термоядерных реакций. Но у достижений кванто- вой механики есть и другая сторона. Ее исследования напрямую способство- вали разработке ядерного и термоядерного оружия, оружия такой разруши- тельной силы, которая в один момент способна разрушить мировую цивили- зацию.

3. Строение материи и физика элементарных частиц

Проблема поиска «первокирпичиков» Мироздания занимала ученых и философов со времен античности. Но по-настоящему заняться ее решением оказалось возможным только в ХХ веке, когда были разработаны для этого экспериментальная техника и математический аппарат. Развитие физики эле- ментарных частиц позволило разработать протонно-нейтронную теорию строения ядра атома (Д.Д.Иваненко, В.Гейзенберг). Ядро, как и атом, оказа- лось сложной системой взаимодействующих элементарных частиц.

Сегодня выделяют четыре уровня организации микромира: молекуляр- ный, атомный, нуклонный и кварковый. Достижения современной физики позволили выделить его структурные элементы - элементарные частицы.

Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых частиц.

Однако в настоящее время неизвестно, какие частицы в действительности заслуживают названия элементарных, неизвестен критерий, по которому ту или иную частицу можно отнести к этому статусу. Поэтому элементарными условно называют группу микрочастиц, не являющихся атомами или атом- ными ядрами. В сороковые-пятидесятые годы нашего века было открыто

достаточно большое количество элементарных частиц при исследовании космических лучей, а затем, по мере строительства ускорителей, и в искусст- венных условиях. На сегодня обнаружено несколько сотен частиц, но лишь около 30 из них можно считать более или менее стабильными (имеющими время жизни 10-22с), а истинно элементарными еще меньше. Элементарные частицы образуют некое взаимосвязанное сообщество. Существование какой- либо одной из них связано с наличием других.

В основу классификации элементарных частиц положено несколько свойств и, прежде всего: масса, время жизни, спин, заряд. По массе частицы объединены в группы: легкие (лептоны), средние (мезоны) и тяжелые (барио- ны). Средние и тяжелые частицы получили название адронов. На сегодняш- ний день из них лишь лептоны считаются истинно элементарными частица- ми, так как пока нет ни теоретических, ни экспериментальных данных, кото- рые бы свидетельствовали о наличии у них какой-либо тонкой структуры. Все лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, а лептоны, обладающие элек- трическим зарядом - к тому же еще и в сильных.

111

Среди микрочастиц специально выделяют те, которые имеют время жизни, значительно меньшее 10-22 с. Их называют резонансами. Различают частицы реальные, то есть те, которые можно непосредственно зафиксиро- вать с помощью приборов (как правило, они имеют большое время жизни- электрон, протон, нейтрон и др.) и частицы виртуальные (возможные), о су- ществовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты. Согласно квантовой теории

поля все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами (например, электромагнитные взаимодействия осуществляются с помощью виртуальных фотонов, ядерные- с помощью виртуальных глюонов и т.д.). В уравнениях, описывающих взаимодействия, они есть, эксперимен- тально же их наличие в этих взаимодействиях пока никто не зафиксировал. Почти все частицы имеют соответствующие им античастицы.

Эксперименты по глубокому неупругому (т.е. с большой отдачей им- пульса) рассеянию электронов на протонах, проведенные в конце шестидеся- тых годов, показали, что внутри протонов имеются области отрицательного заряда. Вскоре стало ясно, что это фундаментальные частицы, из которых со- стоят все адроны. Их назвали кварками. Расчеты показали, что кварки имеют дробный электрический заряд по отношению к заряду электрона (в классиче- ской физике заряд электрона считается самым минимальным из существую- щих в природе). Раздел физики, изучающий кварки, получил название кван- товой хромодинамики. На сегодняшний день известно шесть кварков. Они как и лептоны считаются истинно элементарными частицами. Физики счита- ют, что из этих двух видов частиц можно построить все остальные, то есть можно считать их «первокирпичиками». Однако пока никто не сумел зафик- сировать кварк в свободном состоянии. Все, что знает о них наука - результат теоретических расчетов и косвенных измерений.

Исходя из значения спина, все частицы делят на фермионы (в честь Э.Ферми - одного из создателей ядерной и нейтронной физики), имеющие полуцелый спин, и бозоны (в честь Ш.Бозе - одного из создателей квантовой статистики), имеющие целый спин.

К фермионам относится множество частиц, среди которых электроны, протоны, нейтроны. Распределение фермионов подчиняется строгому прави- лу, которое получило название принципа Паули: в одной квантовой ячейке не могут находиться частицы, имеющие одинаковые квантовые состояния. Воз- бужденные состояния силовых полей называют фундаментальными бозона- ми. Таких состояний насчитывается тринадцать. В отличие от фермионов бо- зоны не подчиняются запрету Паули. Элементарные бозоны являются пере- носчиками всех видов фундаментальных взаимодействий, каждому из кото- рых соответствует свой вид бозона: гравитационному - гравитон, электромаг- нитному - фотон, ядерному - глюон, слабому - тяжелый бозон.

Однако исследования в этой области сталкиваются с неимоверными трудностями. Фактически поставлен предел экспериментальным возможно- стям нахождения еще более элементарных частиц, которые можно счи-

тать первокирпичиками. Поэтому в современной физике центр тяжести ис-

112

следований со структуры материи переносится на исследование взаимосвязей и взаимодействий частиц.

Изучая явления микромира, физики пытаются найти взаимосвязь меж-

ду разными видами взаимодействий и построить их объединенную теорию.

Еще Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитных взаимодействий с гравитационными. В семидесятых годах нашего столетия была высказана гипотеза, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент.

Предполагается, что некоторые элементарные частицы излучают и по- глощают кванты электрослабого поля, и многочисленные опыты это под- тверждают, хотя идея не считается полностью доказанной. Были высказаны гипотезы о том, что на расстояниях 10-18 м слабые взаимодействия объединя- ются с электромагнитными, а на расстояниях - 10-32 м электрослабые взаимо- действия объединяются с сильными. Может быть это и так, но ученые пока не умеют работать со столь малыми расстояниями.

Новые представления о структуре материи и объединении взаимодейст- вий ученые связывают с динамическим (физическим) вакуумом. По класси- ческим представлениям вакуум - это абсолютная пустота. Но таковой не бы- вает. Не зря говорят «природа не терпит пустоты». Если даже из сосуда уда- лить все вещество, которое в нем находится, то при этом все-таки не полу- чится классической пустоты. Отсутствие вещества еще не означает отсутст-

вия поля. Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества (то есть вакуум - это невоз-

бужденное состояние поля). Вследствие случайных процессов возможны сла- бые флуктуации (нулевые колебания) этого состояния. Соотношение неопре- деленностей говорит о том, что на короткое время

t h/2πΔЕ

любая система может перейти в состояние, отличающееся на Е по энергии. Такие переходы называют виртуальными. Виртуальные переходы в

вакууме соответствуют рождению виртуальных частиц время жизни которых10-30 с. При определенных условиях они способны превращаться в реаль- ные. Рождение виртуальных частиц из вакуума возможно даже при низких температурах. То есть поле способно трансформироваться в вещество. С дру- гой стороны, мы знаем примеры превращения вещества в поле. Аннигиляция (лат. annihilatio- уничтожение исчезновение) пар некоторых элементарных античастиц рождает кванты силовых полей.

Динамический вакуум - это пространство, заполненное случайно возни- кающими и исчезающими виртуальными частицами, число которых тоже случайно. Наличие виртуальных частиц оказывает влияние на поведение ре- альных частиц, причем, чем легче частица, тем большее значение для нее иг- рает вакуум. Например, в атомной физике эффект его влияния незначителен. Из-за взаимодействия с виртуальными фотонами уровни энергии электрона в атоме смещаются всего лишь на доли процента. Но квантовая электродина- мика может этот сдвиг рассчитать, причем расчетные данные находятся в хо- рошем согласии с экспериментом. Внутри ядер атомов влияние виртуальных

113

частиц играет более существенную роль. А на уровне кварков действие физи- ческого вакуума уже является решающим. Ученые полагают, что невозмож- ность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана имен- но с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в ва- кууме.

Некоторые ученые полагают, что физический вакуум и есть та прамате- рия, которая в определенных, неизвестных пока нам условиях, способна по- рождать стабильные элементарные частицы и легкие атомы, давая начало той материи, которая воспринимается нашими органами чувств.

4. Соотношение классической, релятивистской и квантовой картин

Классическая механика обнаружила пределы своих возможностей в объ- яснении атомных и молекулярных спектров, поведения теплоемкости твер- дых тел, движения тел со скоростями, соизмеримыми со скоростью света, и других явлений. Для их описания были созданы новые системы определений, понятий, аксиом, постулатов, которые легли в основу квантовой и релятиви- стской механик - новых моделей описания природы. К классическим концеп- туальным системам физики присоединились неклассические. Но это не про- стое объединение, оно связано с ломкой старых и возникновением новых представлений о пространстве, времени и причинности. Оно изменило образ физической мысли. В результате этого объединения произошла смена пара- дигмы физической науки.

Но это не значит, что законы классической механики оказались неспра- ведливы. Вот что по этому поводу пишет В.Гейзенберг в своей классической работе «Физика и философия»: «Всюду, где понятия механики Ньютона мо- гут быть применены для описания процессов природы, законы, сформулиро- ванные Ньютоном, также являются справедливыми и не могут быть улучше- ны. Электромагнитные же явления не могут быть должным образом описаны с помощью системы понятий ньютоновской механики. Поэтому эксперимен- ты над электромагнитными полями и световыми волнами совместно с их тео- ретическим анализом, проведенным Максвеллом, Лоренцом и Эйнштейном, привели к новой замкнутой системе определений, аксиом и понятий, к систе- ме, являющейся также непротиворечивой и замкнутой, что и система ньюто- новской механики, хотя она существенно отлична от системы Ньютона».

Это значит, что не только классическая механика, но и вся классическая наука имеет границы применимости, в рамках которых она была и остает-

ся полностью справедливой. На основе классической механики работают все машины и механизмы, строятся здания и сооружения. Классическая термо- динамика лежит в основе работы тепловых двигателей, классическая элек- тродинамика - в основе работы электрических установок. И совсем ни к чему при исследовании явлений макромира (например, движения автомобиля по дороге или работы электродвигателя) использовать представления релятиви- стской или квантовой физики. В условиях макромира эти эффекты будут на- столько малы, что у нас не найдется приборов, чтобы их измерить, и более того, такие малые эффекты не повлияют на характер движения макротел.

114

Классическая механика является частным случаем других более слож-

ных моделей и при определенных условиях соотношения релятивистской или квантовой механики переходят в соотношения классические, то есть новые теории, претендующие на более широкую область применимости, чем старая, включают последнюю в качестве предельного случая, т.е выполняется прин- цип соответствия.

Однако и неклассическая наука не может ответить на множество вопро- сов, связанных с пределами познаваемости мира, единства разных типов взаимодействий, пределом делимости материи и многих других. По сравне- нию с классической наукой она расширила пределы познания, перевела его на новый, более сложный уровень, но, как и классическая наука, она оказа- лась ограниченной и бессильной в создании подлинно единой научной кар- тины мира. К середине ХХ столетия оформились отдельные ее части, взаимо-

связь между которыми просматривалась лишь на уровне общефилософских идей о развитии. Мощный всплеск интегративных тенденций в науке, уско- рение процессов междисциплинарного синтеза в поисках механизмов взаи- мосвязи природы, человека и общества и общих закономерностей их разви- тия стали подножием для становления постнеклассической науки, сформи- ровавшей новые познавательные модели, в рамках которых стало возможным описать мир как единую развивающуюся суперсистему.

5.Постнеклассическая наука

Впервой трети ХХ столетия механистическое мировоззрение, исходя-

щее из представлений о линейности, определенности и однозначности при- чинно-следственных связей, редукции любого сложного объекта к сумме бо-

лее простых исходных элементов и выведения из них различных комбинаций всех свойств объекта, потерпело окончательное поражение. Это обнаружи- лось не только в описании биологических и социальных явлений, но и в фун- даменте естествознания - физике. Основанная на античных традициях поиска первокирпичиков Мироздания, она изучала, главным образом, структуру и свойства объекта, наиболее существенные взаимосвязи между его отдельны- ми элементами. Однако объекты природы нельзя представить в виде простой суммы отдельных элементов, они гораздо сложнее. К описанию их поведения не всегда применимы классические модели и представления, ибо мир являет- ся неделимым целым, сетью отношений, сетью взаимосвязанных и взаимо- обусловленных процессов, которые затрудняется познать и адекватно описать не только классическая, но и неклассическая наука. Более того, была выявле- на масса противоречий, которые с их точки зрения кажутся неразрешимыми. Так, используя модель закрытой системы, II начало термодинамики и пред- ставления об энтропии, классическая наука может объяснить лишь, как из порядка возникает хаос, чем обусловлены взрывы звезд, разрушение планет, старение и смерть организмов, распад цивилизаций. Эта направленность про- цессов связывается с ростом энтропии в изолированных системах и стремле- нием ее к некоторому максимуму, при котором система переходит в состоя- ние хаоса. Но в окружающем мире наряду с процессами деградации идут и процессы созидания порядка из хаоса, процессы связанные с самопроизволь-

115

ным уменьшением энтропии. Как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса, наиболее вероятного и выгодного с энергети- ческой точки зрения, в состояние порядка, менее вероятного и менее выгод- ного (с более высокой энергией)? Как и за счет чего происходит ее самоорга- низация (самоупорядочение)? Разработанные классической и неклассической наукой познавательные модели не могли ответить на эти вопросы. В очеред- ной раз естественные науки оказалась в тупике, и были поставлены перед не- обходимостью перехода к новым качественным представлениям об окру- жающем мире. Другая важнейшая причина поиска нового подхода к его изу- чению лежит в области современной техники - проблем разработки средств получения, хранения и передачи информации, создания различных систем управления, регулирования, планирования, их компьютерного обеспечения и т.д.

Отказ от механистической методологии и практические нужды общества потребовали поиска новых концепций и идей, учитывающих принципиаль-

ную сложность исследуемых объектов и ориентированных на познание их целостности и системных качеств. В числе первых научных дисциплин, по- ставивших эту проблему стали экономика, биология, психология и лингвис- тика. Но подходы к ее решению были найдены при исследовании поведения физических и химических систем. В процессе разрешения этой проблемы и сформировалась постнеклассическая наука. Она акцентирует внимание на исследовании всей совокупности иерархий систем Мироздания как взаимо- связанной целостности или сети взаимодействующих элементов. Объект ее исследования - процесс развития, общие принципы самоорганизации и эво- люции сложных систем разного уровня и разной природы, особенности сме- ны их качественных состояний, механизмы, динамика и пространственно- временная развертка этого процесса.

Однако на пути понимания и описания сложного наука столкнулась с существенными трудностями, которые заключались в отсутствии понятийно- го аппарата, необходимых средств и методов исследования, неразработанно- стью лежащих в их основе исходных философских и логико- методологических положений. И, несмотря на грандиозные успехи в этом на- правлении эти трудности во многом остаются до сих пор неразрешенными.

К числу важнейших постнеклассических концепций, которые находят свое приложение практически во всех областях знания и деятельности, сле- дует отнести теорию систем, теорию информации, теорию самоорганизации и теорию управления. Эти концепции имеют выдающееся значение для совре- менной теории познания, составляют методологическую основу интеграции разнопредметных знаний в описании единства мира и способов его постиже- ния, являются базой для понимания общности механизмов развития природ- ных, социальных и технологических систем, оказываются крайне важными для осознания необходимости коэволюции природы, общества и культуры в обеспечении устойчивого развития человечества.

Новые понятия и термины: релятивизм, постулат, интервал, квант, стационарное состояние, правила отбора, квантовое число, спин, волно-

116

вая функция, плотность вероятности, оператор, соотношения неопреде- ленности.

Ведущие идеи:

-зависимость свойств объектов (масса, размеры) и времени протекания процессов от скорости движения системы отсчета, в которой находится объект или протекает процесс;

-взаимосвязь тяготения и геометрии пространства;

-эквивалентность массы и энергии;

-принцип дополнительности как важнейший методологический принцип познания;

-вероятностность поведения характерна не только для коллектива час- тиц, но и для одной, отдельно взятой элементарной частицы;

-все законы микромира носят статистический характер;

-случайность и неопределенность есть фундаментальное свойство при- роды,

-в исследовании структуры вещества наступил предел эксперименталь- ных возможностей науки в обнаружении еще более элементарных час- тиц;

-рождение постнеклассической науки.

117