Тема 2. КОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Пространство, время, принцип относительности

Обыденный опыт говорит нам, что все окружающее существует в пространстве и развивается во времени. Невозможно описать объект, процесс, явление природы, не используя при этом пространственные и временные характеристики.

Пространственными характеристиками являются положение относительно других тел (координаты тела), расстояние между телами, угол между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяженностью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики – «момент», в который происходит явление, продолжительность (длительность) процесса. Нет такого закона физики, который можно было бы сформулировать без понятий пространства или времени.

Вклассический период развития науки сформировались две концепции пространства и времени: «субстанциальная» и «реляционная».

Вклассической механике Ньютона нашла воплощение субстанциональная концепция, в рамках которой проблема соотношении пространства, времени и материи решается через их механистическое разделение на независимые сосуществующие компоненты мира, субстанции. Следуя линии Демокрита, Ньютон абсолютизировал пространство.

Время в концепции Ньютона, как и пространство, оторвано от материи. Это абсолютное, истинное, математическое время. В абсолютном пространстве царит абсолютное движение, измеряемое абсолютным временем.

Всвоем труде «Математические начала натуральной философии» Ньютон определяет эти понятия так: «Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные…

22

1.Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью…

2.Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным…

3.Место есть часть пространства, занимаемая телом и, по отношению к пространству, бывает или абсолютным, или относительным…

4.Абсолютное движение есть перемещение тела из одного его абсолютного места в другое».

Классическая физика исходила из представлений об абсолютном, трехмерном пространстве, существующем независимо от содержащихся в нем материальных объектов и подчиняющемся законам евклидовой геометрии. Время рассматривалось как самостоятельное измерение, которое носит абсолютный характер и течет с одинаковой скоростью, независимо от материального мира.

В середине XVII в. Галилео Галилей для всех известных в его время физических процессов (то есть процессов механических) сформулировал фундаментальный принцип – принцип относительности. Определить движение одного объекта возможно лишь по отношению к другому объекту.

Всякая система отсчета, в которой тело, не испытывающее воздействия внешних сил, может находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, называется инерциальной. Принцип относительности Галилея гласит, что во всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково.

В физике конца XIX в. возникло противоречие. Система уравнений Максвелла для электромагнитного поля, в справедливости которой никто не сомневался, давала разные решения для случаев, например, когда источник света двигается навстречу наблюдателю и когда наблюдатель двигается навстречу источнику света, что противоречи-

23

ло принципу относительности Галилея, в справедливости которого также никто не сомневался. Для симметрии уравнений Максвелла было необходимо, чтобы в любой инерциальной системе отсчета скорость света имела одну и ту же величину, что противоречило правилу сложения скоростей Галилея.

Разрешить эту, на первый взгляд неразрешимую, проблему смог в 1905 г. великий немецкий физик Альберт Эйнштейн. На основе синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца он создал специальную теорию относительности (СТО), или так называемую релятивистскую (относительную) механику. Эта теория содержала принципиально новый взгляд на пространство и время.

В основу новой теории движения и пространства-времени Эйнштейном были положены два постулата:

1.Релятивистский принцип относительности – в любых инерциальных системах все физические процессы – механические, оптические, электрические и другие – протекают одинаково, или, другими словами, явления природы не зависят от неускоренного движения.

2.Принцип постоянства скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скоростей движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип интерпретируют как принцип существования предельной скорости распространения, которая не может превышать скорость света.

Важнейшим из них является относительный характер одновременности событий. Эйнштейн отказался от классического принципа абсолютности одновременности событий, показав, что вследствие конечности скорости света события, одновременные в одной системе отсчета, не будут одновременны в любой другой, движущийся относительно первой. Таким образом, следует говорить о собственном времени каждой системы отсчета.

24

Из относительности одновременности следует относительность временных и пространственных интервалов: в движущейся системе отсчета относительно неподвижной системы происходит замедление времени и сокращение длины.

Следствием из постулатов теории относительности является и представление о неразрывной взаимосвязи пространства и времени, существовании четырехмерного пространственно-временного континуума.

Симметрия, законы сохранения, асимметрия

Что представляет собой симметрия с позиций физики? Симметрия – инвариантность (неизменность) свойств материальной системы относительно какого-либо преобразования (операции).

Обычно выделяют внешние и внутренние симметрии. Внутренние симметрии – это геометрические симметрии самой материи, отражающие инвариантность (независимость) свойств элементарных частиц и их взаимодействий относительно определенных преобразований. Внешние симметрии – это симметрии пространственновременного континуума, одинаково ярко проявляющиеся на всех уровнях организации материи.

Выделяют следующие симметрии пространства-времени:

1.Однородность пространства. Это – сдвиговая симметрия пространства. Она заключается в отсутствии в пространстве каких-либо выделенных точек. Параллельный перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве не приводит к изменению ее свойств, то есть физические законы инвариантны относительно сдвигов в пространстве.

2.Изотропность пространства. Это – поворотная симметрия пространства. Она заключается в равенстве всех направлений в пространстве, то есть в отсутствии в пространстве выделенных направлений. Поворот системы как целого в пространстве не приводит к из-

25

менению ее свойств, то есть физические законы инвариантны относительно поворотов в пространстве.

3. Однородность времени. Сдвиговая симметрия времени отражает равенство всех точек времени. Перенос системы как целого во времени не приводит к изменению ее свойств, то есть физические законы не меняются с течением времени.

В 1918 г. Амалия Нетер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инвариантна (неизменна) относительно некоторого преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина. Иными словами, существование любой конкретной симметрии приводит к соответствующему закону сохранения.

Законы сохранения – физические закономерности, являющиеся отражением симметрий материального мира. Согласно им численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах.

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, количества движения (импульса), момента количества движения.

Импульс – величина, характеризующая количество движения, которая выражается как произведение инертной массы на скорость: P = m×v. Закон сохранения импульса гласит, что в изолированной системе суммарный импульс остается неизменным. При этом как массы, так и скорости отдельных элементов системы могут меняться, но так, что сумма их импульсов остается постоянной.

Момент импульса характеризует системы, в которых осуществляется вращательное движение. Он равен произведению импульса тела на расстояние до оси вращения: М = m×v×r. Закон сохранения момента импульса гласит, что в изолированной системе суммарный момент импульса остается неизменным. Внутренние силы не могут изменить момент импульса системы, но момент импульса отдельных частей системы или угловые скорости под действием этих сил могут изменяться.

26

Энергия – важнейшая физическая величина, всеобщая мера движения материи. Согласно закону сохранения энергии, в изолированной системе энергия может только перераспределяться между компонентами системы или превращаться из одной формы в другую, но ее количество остается постоянным. Этому закону подчиняются все без исключения известные процессы в природе.

Понятие асимметрии связано, в первую очередь, с нарушением правильности форм геометрических фигур. Более глубокие связи в асимметрии могут реализоваться во внутренней структуре живой природы. Например, внешне человек симметричен, но очевидна асимметрия расположения его внутренних органов.

Развитие термодинамики показало, что в макроскопических процессах, связанных с превращением энергии, происходит ее необратимое рассеивание. Все реальные процессы не инвариантны по отношению к направлению времени. Его изменение на противоположное привело бы к изменению законов термодинамики: необратимое рассеивание энергии сменилось бы ее самопроизвольной концентрацией. Следовательно, для этих процессов время анизотропно, не обладает симметрией поворота.

Закон неубывания энтропии, в отличие от связанных с симметриями природы законов сохранения, говорит о закономерном и необратимом во времени изменении физической величины. Если параллельный перенос в пространстве и времени, а также поворот в пространстве не влияют на физические явления, то поворот во времени привел бы к коренному изменению термодинамических процессов. Эти процессы шли бы в направлении уменьшения энтропии. Таким образом, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии: в отличие от пространства время анизотропно. В необратимом времени энтропия может лишь возрастать.

27

Порядок, беспорядок (неравновесные процессы, равновесные, хаос)

В рамках механистической парадигмы естествознания, базировавшейся на классической механике Ньютона, существовала убежденность в том, что принципиально возможно свести все процессы, происходящие в природе, к механическим явлениям. Для рассматриваемых классической механикой процессов время выступает как внешний параметр, и направление времени не влияет на законы механики. То есть механическая картина мира – это картина мира, абсолютизирующая симметрию, порядок природы: неопределенность и хаотичность, случайность в поведении материальных систем объяснялись недостаточной развитостью теорий, утверждались принципиальная обратимость и однозначная предсказуемость физических процессов.

Действительно, как указывалось в теме 2.4, природа обладает множеством симметрий, проявляющихся на разных уровнях организации материи и приводящих к сохранению пространственных, временных и других характеристик систем, то есть определенной их упорядоченности. Упорядочено строение Солнечной системы, кристаллов, отдельных молекул, живых организмов и т. д. Вместе с тем, опыт показывает нам, что наряду с существованием упорядоченных, неизменных во времени структур в природе происходят как процессы, приводящие к разрушению порядка, то есть к хаотизации, так и процессы, ведущие к усложнению структур, то есть повышению порядка. Примерами хаотизации, повышения беспорядка являются, например, таяние льда, разрушение горных пород под действием ветра, воды и солнечного излучения, окисление сложных органических молекул до углекислого газа и воды в процессе горения и т. п. Возрастание упорядоченности наблюдается при кристаллизации, полимеризации органических веществ, росте и развитии живых организмов.

Включение в научную картину мира процессов, сопровождающихся изменением хаотичности материальных систем, стало возмож-

28

но благодаря развитию на протяжении XIX и XX вв. теорий, рассматривающих общие свойства макроскопических систем и закономерности превращения и распределения энергии в этих системах – классической (равновесной) термодинамики, термодинамики открытых неравновесных систем и синергетики.

Структурные уровни организации материи: мега-, макро-, микромиры

В науке выделяются три уровня организации материи.

–Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время –

всекундах, минутах, часах, годах.

–Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых ис-

числяется от 10–8 до 10–16 см, а время жизни – от бесконечности до 10–24 секунд.

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

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

В этих областях существует следующая иерархия объектов: микромир – это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир – это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир – это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.

Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (ма-

29

териализованные порции энергии). При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей – тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы.

По современным представлениям все элементарные частицы являются наименьшими «кирпичиками», из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Атомные ядра – это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состоянии ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина,

называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 1018 лет до 10–10 с.

Атомы состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения.

За время существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они – от бактерий до высших животных – состоят из клеток. Клетка – это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти,

30

может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке.

При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности – макроскопические тела (вещество). Вещество – вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические.

В макромире существует еще одна форма существования материи – поле.

Поле – особая форма материи, представляющая собой взаимодействия соответствующих частиц.

Выделяют электрические, магнитные, электромагнитные, гравитационные поля и поля ядерных сил.

На макроуровне жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам, растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Индивид (индивидуум, особь) – элементарная неделимая единица жизни на Земле.

Вид – это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. Вид – совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.

Популяция – совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга.

Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты. Планеты – это небесные тела, обращающиеся обычно во-

31

круг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного видимого излучения.

Наиболее распространенными объектами окружающего нас материального мегамира являются звезды. Изученная нами часть окружающего пространства заполнена огромным количеством звезд – самых больших небесных тел, подобных нашему Солнцу, вещество которых находится в состоянии плазмы.

Звезды рассеяны в пространстве неравномерно, они образуют связанные силами тяготения системы, называемые галактиками. Распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики – видимой части Вселенной. Под Вселенной понимают весь окружающий известный нам и неизвестный мир, то есть все сущее. Известная часть Вселенной, называемая Метагалактикой, – это объем, заполненный звездами, галактиками и имеющий диаметр ~1028см.

Взаимодействия в природе: динамические и статические закономерности в природе

Движение и взаимодействие связаны с окружающим миром, его заполнением объектами, телами или предметами. Всякое взаимодействие материальных объектов, их изменение – это движение.

Все структурные объекты мира объединяются в системы вследствие взаимодействий между собой. Взаимодействие – объективная и универсальная форма движения, развития, определяет существование и структурную организацию любой материальной системы; это влияние объектов друг на друга, определяющее их взаимную обусловленность и порождение одним объектом другого. Под взаимодействием в более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей.

32

В природе существуют качественно различные системы связанных объектов: ядра – связанные системы протонов и нейтронов; атомы – связанные ядра и электроны; макротела – совокупность атомов и молекул; Солнечная система – «связка» планет и массивной звезды; галактика – «связка» звезд. Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы «разрушить» систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы или структурных единиц происходит посредством полей (гравитационного, электрического, магнитного и др.) и характеризуется энергией взаимодействия. В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному (в том числе и между элементарными частицами). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.

Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия гораздо интенсивнее электромагнитных, иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными) проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10–13 см.

33

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, то есть энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме. Теплота парообразования, то есть энергия перехода жидкость – пар (при атмосферном давлении), определит, правда довольно грубо, значение межмолекулярных взаимодействий в теле. Последние же имеют электромагнитное происхождение. Константа взаимодействия равна 10–3. Радиус действия не ограничен (r = ∞).

Слабые взаимодействия. Это взаимодействие ответственно за все виды β – распада ядер (включая е – захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины 10–15. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типов являются стабильными. Под влиянием «внутренних причин» нестабильные свободные частицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы. Медленные распады с характерным временем 10–10–10–6 с происходят за счет так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад (10–16 с) происходит под влиянием электромагнитных взаимодействий.

Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе – гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия универсальны, то есть применимы к любым микро- и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем. Проявления гравитации количественно были изучены

34

одними из первых. Это неслучайно, ибо источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10–39. Радиус действия не ограничен (r = ∞). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

Химические системы, энергетика химических процессов, реакционная способность веществ

И физика, и химия – науки о неживой природе. Химия изучает один из уровней организации материи, который находится между двумя уровнями, изучаемыми физикой. Физика исследует не только уровень макровещества, но и мир атомов и более глубокие уровни. Химия занимается единственным уровнем – молекулярным. Она изучает процессы превращения молекул и воздействия на них внешних факторов. Кроме этого, прерогативой химии является изучение связи между атомами (химические связи).

Фундаментальная теория химической связи была создана в первые десятилетия ХХ века после того, как атомная физика выяснила внутреннее строение молекул и вышла на атомный уровень. Связь между атомами в молекуле осуществляют электроны. Когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или перераспределяют свои электроны и расходятся, или объединяют свои электроны. Электроны располагаются вокруг ядра атома оболочками, и при столкновении во взаимодействие вступают внешние оболочки. Часть электронов переходит из внешней оболочки одного атома во внешнюю оболочку другого. Оба атома оказываются противоположно заряженными и притягиваются друг к другу, создавая химическую связь, на-

35