Стационарная картина мира

2.1. Концепция стационарности

Теперь перейдем к более конкретным концепциям, использованным при построении картины мира. Начнем с наиболее фундаментальных.

Первая такая концепция, относящаяся к миру в целом, которая незыблемо просуществовала до примерно первой трети нашего века - это концепция неизменности нашего мира - концепция стационарности. Что-то, конечно, все время меняется: день и ночь, лето и зима, погибают одни люди и царства, появляются другие. Мир постоянно живет, и живет бурной жизнью - отдельные его части в отдельные отрезки времени безусловно нестационарны. Но все изменения повторяются и все снова выходит «на круги своя». В целом мир все время тот же. «Все это было и нет ничего нового под Солнцем» - так говорил библейский пророк Экклезиаст. Само же Солнце, небо и звезды, горы и океан оставались абсолютно незыблемыми и вечными перед глазами древних ученых. Мерилом, временным масштабом, была жизнь отдельного человека.

Потом стало ясно, что и горы и океаны и даже Солнце и звезды не вечны, но мир в целом все-таки представлялся стационарным. Причем не потому, что на это указывали прямые результаты наблюдений или железная логика теории. Как теперь ясно, наблюдения и теоретические обобщения как раз указывают на необратимость происходящих в мире изменений и, значит, на его нестационарность. Но на интуитивном уровне человек этого не принимал - стационарность ему была нужна для ощущения стабильности своего существования. Считалось, что противоречия между многими наблюдениями и стационарной картиной мира указывают только на недостаточность наших знаний.

Отметим, что стационарность, так необходимая человеку психологически, заставляла его иметь дело с еще одним очень сложным и трудным для понимания понятием - вечностьюили бесконечностьюво времени. Причем, если в идеалистической или религиозной картине мира вечен и бесконечен только Бог, некая мировая идея, творческий дух, непостижимый по определению, то материалистам необходимо было признать бесконечность и вечность материального мира - актуальную бесконечность, которая должна быть постижима.

Пришли к возможности, а потом и к необходимости отказаться от стационарности лишь в первой трети нашего века. Психологически это было наверное особенно трудно ученым-материалистам, атеистам, не признающим божественный акт творения. Эйнштейн пытался исправлять свои уравнения, чтобы избавиться от возможности нестационарных решений - концепция стационарности мира слишком довлела над ним. Когда молодой петербургский ученый А.Фридман получил и опубликовал нестационарные решения уравнений гравитации, Эйнштейн в печати обвинил его в ошибке, но потом взял свои слова назад. А через шесть лет после открытия Фридмана были получены наблюдательные доказательства нестационарности Вселенной.

Здесь можно сделать небольшое отступление о научной смелости. Делающим принципиальные открытия, идущие вразрез с существующей, «канонизированной» картиной мира, необходимо кроме знаний, интеллекта и нестандартности мышления обладать еще и огромной убежденностью в правильности своих идей и результатов и незаурядной смелостью. Смелость помогла Лобачевскому создать неевклидову геометрию, его современник, великий Гаусс, пришел к тем же выводам, что и Лобачевский, но не решился развить их до конца и опубликовать, венгр Бойяи сделал то же открытие, но, не сумев до конца поверить в себя, сошел с ума, так и не опубликовав своих результатов. Смелость помогла Копернику создать гелиоцентрическую систему мира, Менделееву - свою знаменитую таблицу, Эйнштейну – теорию относительности, Планку, Паули и Гейзенбергу – квантовую механику, Бору – его модель атома, Галуа – новое направление в математике. Принципиальные открытия, как правило, делаются молодыми учеными, и причина этого не только в незашоренности интеллекта, но и в смелости, которая есть свойство молодых.

Сейчас практически можно считать доказанным, что наш мир нестационарен. Вселенная расширяется, и, очевидно, когда-то она была заключена в некий ничтожный объем, о свойствах которого сейчас нельзя сказать ничего. Однако, расширяется Вселенная уже примерно 15 миллиардов лет. Изменения происходят относительно медленно и, если мы не будем заглядывать больше чем на пару-тройку миллиардов лет вперед или назад, ее с очень хорошим приближением можно считать стационарной. Стационарная модельВселенной приводит к адекватному описанию большинства явлений в ней. Современная картина мира почти полностью была создана в предположении его стационарности. Со стационарностью мира в целом согласуются все существующие теории кроме космологических, рассматривающих эволюцию Вселенной, как целого.

Таким образом, стационарная модель Вселенной является приближением, хорошо описывающим ее на интервалах времени, небольших по сравнению с полным временем ее жизни. Точно так же стационарная модель оказывается применимой для описания любого явления природы на интервале времени меньше некоторого характерного для него. Характерные времена могут быть самыми разнообразными: для нашего Солнца – несколько миллиардов лет, для земного океана – сто миллионов лет, для горной системы – десять миллионов лет, для отдельного вулкана – десять тысяч лет, для отдельного человека – десятки лет, для мыши – год, для дрожжевого микроба – десять минут, для горения заряда пороха в стволе пушки - около одной тысячной доли секунды; характерные времена существования возбужденных состояний атомных ядер и некоторых элементарных частиц могут составлять малые доли секунды – вплоть до 10^-22. И любой из этих объектов и процессов на интервалах времени меньших характерного может быть приближенно, но вполне адекватно описан стационарной моделью.

Поэтому посмотрим сначала как строилась и как выглядит картина стационарного мира. Потом мы обсудим, что вносит в эту картину нестационарность и рассмотрим особенности и следствия эволюции нашей Вселенной.

2.2. Из чего построен мир - концепция элемента;

концепции - континуальная и корпускулярная

Концепция стационарности оставляет перед наукой две главные задачи - узнать ИЗ ЧЕГО построен мир и КАК он построен.

Насчет «из чего» можно было бы просто ответить «из всего того, что мы видим», но это не позволило бы человеку упорядочить мир - видим мы слишком много и слишком разного. Человек из опыта знал, что огромное количество сложных предметов и объектов состоит из более простых частей, перекомпоновка которых дает все новые и новые объекты. Стремление упростить и упорядочить картину мира (концепция простоты!) подвигнуло человека на поиск первичных исходных компонентов, из которых состоит все (концепция единства мира). Так возникла концепция элемента.

Древние греки (Эмпедокл, Фалес Милетский, Анаксимен) рассматривали в качестве элементов землю, воду, воздух и огонь. Возникали и другие комбинации, но концепция существования немногих первичных элементов, из которых состоит все наблюдаемое многообразие оказалась чрезвычайно плодотворной и действительно отражающей объективную реальность. В данном случае в качестве элементов предложены непрерывные субстанции,но примерно в те же времена в Греции возникла и концепция атомов(Левкипп, Демокрит, Эпикур)- неделимых, непроницаемых элементарных частиц, движущихся и образующих различные комбинации в пустоте. Демокрит, повидимому, предполагал бесконечное разнообразие форм атомов, но в поэме римского поэта Лукреция Кара «О природе вещей», где он излагает, в частности, атомистику Демокрита и Эпикура, говорится о конечном числе разновидностей атомов, из которых слагается мир (как его поэма из букв). Так, что можно считать, что уже тогда понятие элемента начало связываться не только с субстанцией, но и с разновидностью атомов.

Таким образом, по существу вместе с концепцией элемента появились еще две концепции строения вещества: континуальная,утверждающая что все состоит из непрерывных субстанцийикорпускулярная,утверждающая что все состоит из неделимых частиц.Эти концепции сосуществуют до сих пор, и лишь в 20-м веке стало ясно, что они не конкурирующие, а реально сосуществующие в нашем мире. Содержание понятия атома сильно изменилось со времен Демокрита, но и сейчас концепция элемента тесно связана с корпускулярнойконцепцией:квантовая механика утверждает дискретность вещества и энергии на микроуровне. И те же законы квантовой механики утверждают дуализм волн и частиц и «размазанность» положения и траектории частицы - некий континуум состояний.

На макроуровне в основном используется континуальная концепция. Вспомним опять про единство и простоту природы. Множество простых и красивых теорий было создано в предположении непрерывности вещества - гидро- и аэродинамика, теория упругости, теория теплопроводности, - и все они сохранились в неизменном виде, несмотря на то, что стало ясно, что все вещество состоит из дискретных частиц и энергия передается на микроуровне дискретными порциями. Огромная масса непрерывно взаимодействующих частиц успешно описывается как сплошная среда. (Конечно, это приближение, модель. В крайних предельных и в некоторых особых случаях дискретность игнорировать нельзя, но почти всегда в практических задачах континуальная концепция работает без осечки). И в то же время макромир являет нам макроскопически дискретную картину: почти все вещество Вселенной сосредоточено в дискретных объектах - звездах, жизнь представлена отдельными живыми существами и т.д. Как под простотой прячется сложность, а под сложностью опять простота, так и непрерывность чередуется с дискретностью в последовательных моделях, описывающих Природу.

2.2.1. Химические элементы

Изучением состава вещества, процессами образования сложных веществ из простых занималась химия.Поэтому слово «элемент», стало со временем употребляться, в основном, в сочетании химический элемент. Целый ряд веществ, представляющих собой химические элементы был известен с глубокой древности, например, золото, серебро, сера, потом медь, олово, железо, свинец, ртуть. Однако, тогда они не считались элементами.

Вопрос о действительном существовании элементов и о доказательстве их «элементарности» впервые четко поставил в 1661 году великий английский ученый Роберт Бойль (бывший, кстати, прежде всего физиком, а не химиком, уже тогда предвосхитивший взаимопроникновение наук). Он дал определение понятия «элемент» и связал его с корпускулярной, атомистической теорией, он же заложил методические основы изучения состава веществ и впервые ввел в науку сам термин «анализ». Вот его определение элемента: «Я понимаю под элементами, в том смысле, как некоторые химики ясно говорят о принципах, определенные, первоначальные и простые, вполне несмешанные тела, которые не составлены друг из друга, но представляют собой те составные части, из которых составлены все так называемые смешанные тела и на которые последние в конце концов могут быть разложены». Р.Бойль считал, что элементов гораздо больше, чем три, четыре или пять, как считали древние и средневековые ученые.

В конце 18-го века великий французский химик Антуан Лавуазье, заложивший основы современной химии, впервые классифицировал химические соединения, ввел, по существу современную химическую номенклатуру, определив в ней и химические элементы или «простые вещества», как «все вещества, которые мы еще не смогли никаким способом разложить». Лавуазье допускал в принципе, что какие-то из этих простых веществ могут когда-нибудь быть разложены на еще более простые - элементарность связывалась с уровнем аналитических возможностей. В этом признании определенной условности понятия элемент заключалось принципиальное отличие современного экспериментального подхода от чисто умозрительных построений древних. Однако, без этой их «игры ума», без интуитивных прозрений к истине мы приближались бы намного медленнее.

Надежное установление химической элементарности началось лишь в 19-м веке после установления Джоном Дальтоном закона простых кратных отношений, объяснения его на основе атомно-молекулярной теории и определения им относительных атомных и молекулярных масс. Поэтому можно сказать, что настоящее открытие химических элементов началось в 19-м веке, и в течение этого века природные элементы были открыты почти все. Во второй половине 20-го века к ним прибавились искусственно полученные радиоактивные (в основном трансурановые) элементы. Сейчас известно 116 элементов, 88 из которых были найдены в природе, а 27 получен искусственно. Последние с атомными номерами 114, 116 и 118 были получены уже в 21 веке в количестве нескольких атомов (118-й – 2 атома).

2.2.2. Систематика химических элементов - таблица Менделеева

Около сотни элементов - это, конечно, гораздо меньше, чем миллионы и миллиарды разнообразных природных объектов и сложных веществ, из этих элементов построенных, но все же не так уж мало. Естественно возникла потребность в упорядочении, систематике элементов. Систематика - это обобщение, для которого необходима основная идея, рабочая гипотеза, определяющая набор признаков, положенный в ее основу. Такая систематика - это первый шаг к пониманию причин различий между элементами и к проникновению на более глубокий уровень элементарности.

Основным признаком по которому многие ученые пытались классифицировать элементы был атомный вес (точнее масса). Но картина получалась очень пестрая, никак не удавалось прощупать явную и, главное, простую закономерность. Понадобилась гениальная интуиция и смелость Дмитрия Ивановича Менделеева, чтобы угадать закон, а необъяснимые в то время расхождения с угадывающимся законом по началу просто отбросить. Но конечно, чтобы пойти на этот смелый шаг надо было быть Менделеевым. И он оказался прав, впоследствии все расхождения были объяснены. Это ярчайший пример использования концепции простоты законов природы (глубокой веры в эту простоту)!

Закон Д.И.Менделеева называется периодическим, так как устанавливает периодическое повторение свойств элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс. Эта периодичность выражает некоторую внутреннюю симметрию в системе химических элементов, указывающую на упорядоченность и позволяющую делать предсказания. Простота и красота периодического закона заставила Менделеева уверовать в его истинность вопреки нескольким отклонениям. И он переместил некоторые элементы в те клетки таблицы, где они лучше всего укладывались в периодический закон, хотя атомные массы указывали на другой порядок, а кое-где оставил пустые клетки. Он смело предположил, что именно периодичность является фундаментальным законом и, если она не вполне проявляется как функция атомной массы, значит она есть функция какой-то другой величины, связанной с атомной массой. Он условно назвал эту величину атомным номером, который был просто номером элемента в таблице, составленной строго в соответствии с периодическим законом. Более того, целые группы элементов, близких по свойствам, он смело поместил в одну клетку таблицы. (Интуиция Менделеева подтвердилась. Со временем было установлено, что его атомный номер действительно выражает важнейшую характеристику атома, определяющую структуру его электронной оболочки и химические свойства образованного атомами элемента, а именно - заряд ядра).

Здесь можно провести некоторую аналогию с созданием гелиоцентрической системы мира Коперника. В старой геоцентрической системе оказывалось, что почти все небесные тела движутся по приблизительно круговым траекториям вокруг Земли и лишь некоторые планеты выписывают временами непонятные петли, нарушающие гармонию. Коперник смело поставил на первое место именно гармонию, для сохранения которой ему пришлось «центр мира» перенести с Земли на Солнце - все петли и попятные движения планет исчезли. Гармония неизбежно связывалась с простотой и красотой. Замысловатые движения планет были объяснены и в геоцентрической системе Птолемея, но ему для этого пришлось нагромоздить сложную, не имеющую внутренней логики, систему эпициклов, что противоречило концепции простоты природы. Идея Коперника снова вернула простоту картине мира.

2.2.3. Принцип симметрии

Здесь мы впервые упомянули такое фундаментальное понятие как симметрия. Оно знакомо нам с детства, как некоторое свойство формы тел: симметричные предметы окружают нас со всех сторон, в обыденной жизни симметрия представляется нам как нечто внешнее по отношению к объектам, не затрагивающее их суть. Однако на самом деле смысл симметрии гораздо глубже.

Симметрия- слово греческое, означающее соразмерность. Первоначально это понятие возникло как геометрическое, но потом стало трактоваться гораздо шире. Симметрия геометрической фигуры или тела - это свойство сохранять свою форму, не изменяться при некоторых, так называемых, ортогональных преобразованиях, при последовательном осуществлении определенного набора зеркальных отражений и движений - параллельных переносов и поворотов. Различают симметрию центральную, осевую и переноса(или трансляционную). Комбинация движений связана с более сложными видами симметрии, например, винтовая симметрия - неизменность при одновременном повороте на определенный угол и переносе на определенное расстояние в определенном направлении.

В физике понятие симметрии расширяется. Говорят о симметрии физических законов. Если эти законы не меняются при каких-либо преобразованиях, говорят, что они симметричны (или инвариантны) относительно этих преобразований. Например, законы механики симметричны по отношению к преобразованиям системы координат таким как сдвиг, поворот, к изменению начала отсчета времени, к переходу от неподвижной системы к движущейся с постоянной скоростью.

Симметрия - это упорядочение и упрощение. Поиск симметрии, неизменных компонентов сложных явлений - инвариантов - это, можно сказать, основная задача науки. И концепция простоты мира заставляет нас всегда думать о симметрии: строить теории исходя из требований симметрии - этот путь всегда оказывался самым продуктивным. Таблица Менделеева - первый замечательный пример. Периодический закон Менделеев принял, как непреложный закон природы, несмотря на все нарушения и отклонения именно потому, что был убежден в симметрии законов природы: периодичность - это сдвиговая или трансляционная симметрия.

Симметрия говорит о сохранении тех или иных свойств при определенных преобразованиях. Немецкий математик Э. Нетер сформулировала в 1918 году фундаментальную теорему, устанавливающую связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения. Законы сохранения - прямое следствие симметрии.

Так, из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии, относительно пространственных сдвигов - закон сохранения импульса, относительно пространственного вращения - закон сохранения момента количества движения.

Квантовая механика и теория элементарных частиц практически вся развивается на базе представлений о симметрии, но тут рассматривается инвариантность по отношению к преобразованиям не пространственных координат, а квантовых чисел. Для удобства теоретики тут также говорят о «сдвигах», «поворотах» и т. д. в некотором условном «пространстве», где координатами являются квантовые числа. Зарядовая, изотопическая, «цветовая», симметрия между кварками и лептонами, между частицами и античастицами, калибровочная симметрия и, наконец «суперсимметрия» - все это в основе развития современной теории микромира. Вся остальная наука - и космология и наука о жизни и науки об общественных процессах также пронизаны идеями симметрии. Это понятие будет встречаться нам на каждом шагу.

2.2.4. Элементарные частицы

Упорядоченность химических элементов с закономерным периодическим изменением их свойств в зависимости от массы (причем масса измененяется ступенчато, в соответствии с законом простых кратных отношений) естественно наводит на мысль об их «неэлементарности» - новое качество (новый элемент) появляется при последовательном добавлении некоторого стандартного количества (атомной массы или номера). В этом добавляемом количестве естественно было искать те кирпичики, из которых могут быть построены атомы хтмтческих элементов.

О сложности атомов говорили и другие открытия конца 19-го и начала 20-го века. В 1896 году Анри Беккерелем была открыта радиоактивность, в 1897 году Дж. Дж. Томсоном был открыт электрон (в катодных лучах, тогда еще не догадывались, что он – «кирпичик» атома). В 1903 году Э. Резерфордом и Ф. Содди радиоактивный распад был истолкован как превращение элементов, а в 1911 году Резерфорд на основании результатов своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц предложил планетарную модель атома.

Атом оказался состоящим из тяжелого положительно заряженного ядра диаметром примерно в сто тысяч раз меньше атома, но заключающего в себе почти всю его массу, и расположенных вокруг него отрицательно заряженных электронов. Оказалось, что разница масс атомов элементов кратна некоторой элементарной величине, примерно равной массе атома водорода. Положительно заряженное ядро атома водорода было названо сначала положительным «электроном» (из-за его электрического заряда), а затем - протоном. Это была вторая (после электрона) частица, получившая статус элементарной. Естественно было предположить, что ядро атома водорода представляет собой один протон, а ядра более тяжелых элементов - несколько. Электрическая нейтральность атома обеспечивается соответственным количеством электронов. Именно эта величина - заряд ядра и соответствующее ему количество электронов - и оказалось определяющей свойства элемента величиной, выражаемой его порядковым номером в таблице Менделеева.

Атомная масса любого элемента кроме водорода оказалась больше его номера, кроме того оказалось, что существуют атомы с разными массами, но представляющие собой один и тот же элемент (по всем остальным показателям) - изотопы. Эти факты заставили сначала предположить, что в ядре кроме протонов содержится и некоторое количество электронов (массу ядра обеспечивают все протоны, а заряд - только не скомпенсированные электронами), но затем стало ясно, что в ядре кроме протонов содержатся частицы с массой примерно равной протону, но без электрического заряда - нейтроны. Выяснилось, что нейтроны могут существовать и в свободном состоянии (нейтрон был открыт Дж. Чедвиком в 1932 г.), но свободный нейтрон - частица нестабильная с временем жизни примерно четверть часа - она распадается на электрон и протон. В ядре же нейтрон стабилен.

Таким образом, оказалось, что атомы всех известных химических элементов состоят всего из трех элементарных частиц: электрона, протона и нейтрона.К ним надо прибавить еще частицу электромагнитного излучения - фотон.

Картина мира упростилась! Оказывается, все вокруг нас построено всего из четырех частиц - от звезд до песчинок и от простых газов до человеческого мозга! Точнее, даже из трех, ибо фотон не существует в покое и не может участвовать в построении вещества в обычном смысле этого слова.

В последующие годы количество открываемых учеными «элементарных частиц» стремительно росло и достигло нескольких сотен, но все новые частицы за исключением одной были очень короткоживущими - не более 10^-6 с. Это разного рода мезоны, гипероны, частицы-переносчики сильных и слабых взаимодействий. Единственная стабильная из этих вновь открытых частиц - нейтрино -одна из самых загадочных частиц, для которой до сих пор не установлено наличие или отсутствие массы покоя. Кроме того, каждой частице соответствует своя античастица, подобная частице во всем, кроме некоторых характеристик взаимодействий, например, электромагнитных для электрона и его античастицы - позитрона. Частица и античастица при встрече взаимно уничтожаются - аннигилируют, - превращаясь в другие частицы, в частности, в фотоны.

Такое обилие «элементарных частиц» в соответствии с фундаментальными концепциями единства и простоты Природы, во-первых, вызвало естественное стремление ученых навести среди них порядок - найти в них некие общие характеристики, объединить их в систематические группы, симметричные по тем или иным признакам - и, во вторых, породило сомнение в их элементарности.

Все частицы подразделялись прежде всего на лептоны и адроны. Адроны - это, так называемые, сильновзаимодействующие частицы. К ним относятся протон и нейтрон и огромное количество короткоживущих частиц. Лептоны - слабовзаимодействующие частицы - электрон, m - мезон, t - мезон, соответствующие им три типа нейтрино и, разумеется, античастицы. Отдельно стоит квант электромагнитного поля - фотон, который тождественен своей античастице. Значительная часть вновь открываемых частиц оказывалась некими возбужденными состояниями не столь многих основных, действительно элементарных.

Особо стоит удивительная частица - участник слабых взаимодействий - нейтрино. Она была предсказана В. Паули в 1930 году с целью объяснить кажущееся нарушение законов сохранения энергии и момента импульса при бета-распаде. Простота и единство мира, симметрия законов природы требовала выполнения этих законов и «заставила» ученого пойти на «изобретение» новой частицы, которое, с другой стороны, усложняло мир. Дальнейшее развитие науки показало, что Паули был прав - новая частица была обнаружена экспериментально. Но обнаружить ее не удалось бы, если бы она не была предсказана на основе общих, интуитивных, концепций и с ее помощью не была бы создана Э. Ферми теория бета-распада. Только теория позволила спланировать и провести специальные необходимые эксперименты.

Элементарные частицы описываются законами квантовой механики, о которой мы будем говорить позже, и характеризуются так называемыми квантовыми числами. При классификации этих частиц использовалось требование симметрии по отношению к группам преобразований в условном пространстве этих квантовых чисел, подобно тому как при геометрических классификациях используется симметрия по отношению к преобразованиям координат в эвклидовом пространстве.

В результате такого упорядочивания этого моря частиц, для адронов, так же как в свое время для химических элементов, была создана подобная Менделеевской таблица и обнаружена весьма нетривиальная периодичность, группировка частиц в симметричные мультиплеты,компоненты которых можно считать разными квантовыми состояниями одной частицы. Основанная на симметрии систематика позволила предсказать несколько новых частиц, которые были обнаружены в специально поставленных экспериментах, что подтвердило правильность подхода.

Пытаясь объяснить выявившуюся систему элементарных частиц, ученые пришли к необходимости допустить, что адроны не элементарны, а состоят из более элементарных частиц - кварков, и, также, допустить существование глюонов - частиц, путем обмена которыми кварки взаимодействуют между собой. Кварки в свободном состоянии не наблюдались, и, по-видимому, в принципе не могут наблюдаться, но, тем не менее, сейчас кварковая модель считается доказанной, ибо достаточно многие следствия из нее подтверждены экспериментально.

Сначала кварков в модели содержалось 3, но по мере ее развития и совершенствования их число увеличилось до 15 или даже 18 плюс 6 лептонов - электрон, мю-мезон и тау-мезон, каждый со своим нейтрино, и все они со своими античастицами. Это гораздо меньше многих сотен элементарных частиц, насчитывавшихся перед появлением кварковой модели, но все же как-то многовато. Концепция простоты Природы толкает ученых к поиску еще более элементарных частиц, но пока для этого нет никаких теоретических или экспериментальных оснований.

Краткие итоги раздела 2.2.

Концепция элементавытекает из концепций единства и простоты мира. Найти первооснову, из которой построено все, человек пытался с того самого момента, когда он впервые задумался о деталях устройства мира. Научное, экспериментально обоснованное, понятие элемент возникло в результате развития химиии в начале XIX века и было тесно связано с корпускулярной концепцией и понятием атом.Впоследствии понятие элемент постоянно углублялось. От химического элемента оно перешло к элементарной частице. Основными кирпичиками, «истинными» атомаминашего мира на нынешнем уровне знания являются кварки и лептоны. Это - элементарные частицы, управляемые законами квантовой механики. Из них строится все вещество, весь окружающий мир и мы сами.

Введено расширенное физическое понятие симметрии, эквивалентное понятию инвариантности, с которым связано сохранение определенных свойств материальных объектов и законов их взаимодействия при некоторых преобразованиях. Все известные нам законы сохранения (массы, энергии, импульса, момента импульса) являются следствием симметрии физических систем - инвариантности физических законов по отношению к тем или иным преобразованиям пространственных координат и времени.

В основе теории элементарных частиц лежат требования симметрии преобразований в условном пространстве , где координатами являются их квантовые характеристики.

Симметрия физических законов - это одно из подтверждений фундаментальных концепций единства и простоты мира.

Вопросы к первой части главы 2.

1. Что такое концепция стационарности?

2. Стационарное приближение при описании физических процессов.

3. Что такое концепция элемента?

4. Континуальная и корпускулярная концепции, их взаимоотношение. Использование континуальной модели при описании макроскомических тел и процессов.

5. Что такое химический элемент? История развития представлений о химическом элементе.

6. Упорядочение элементов. Как была создана Менделеевым Периодическая система?

7. Что такое принцип симметрии, как универсальный принцип Природы?

8. Что привело к возникновению понятия элементарная частица и к открытию таких частиц?

9. Основные типы элементарных частиц.

10. Классификация адронов и возникновение гипотезы кварков.

2.3. Как из элементов строится мир?

2.3.1. Концепции пространства, времени и взаимодействия

Следующий вопрос: как строится мир? Каким образом, за счет чего микрочастицы организуются в макрообъекты, а эти макрообъекты образуют структуры все большего масштаба и сложности?

Здесь появляются сразу три концепции -пространства, времени и взаимодействия (силы,как меры взаимодействия)и понятие структуры.

Все структуры -это закономерно организованные, устойчивые конфигурации, взаимные расположения частиц и тел в пространстве.Структуры возникают и развиваются во времени.Описание закономерностей изменения пространственной структуры во времени можно трактовать как описание временной структуры. Объединяя эти понятия, можно говорить о мире, как о единой пространственно-временной структуре.Возникновение и существование структур есть результат взаимодействияэлементарных частиц и тел.Количественной характеристикой взаимодействия является сила.

Что же такое пространство? Каковы его свойства? Практически мы его можем представить как некую протяженность, характеризуемую взаимным расположением находящихся в ней материальных тел. Точно так же времяпрактически можно представить себе только как длительность, характеризуемую последовательностью событий, происходящих с материальными телами. Пространство вне материи – абсолютно пустое - представить себе затруднительно, также как и абстрактную длительность.

Последовательность событий просто установить в точке. Чтобы установить последовательность событий, происходящих с разными протяженными телами, необходима передача временного сигнала через пространство. Точно так же описание взаимного расположения тел в пространстве в какой-то момент времени требует установления этого момента для всех тел, то есть установления понятия одновременности событий (определений положения тел) в разных точках пространства. Это можно сделать только передав информацию и о времени и о положении с помощью подходящего сигнала. Из этих рассуждений ясно, что пространство и время неразрывно связаны друг с другом, и эта связь зависит от механизма передачи сигналов, которая есть процесс материальный.

Однако первая теоретическая дисциплина в истории человечества - классическая механика - абстрагировала эти понятия. Она оперировала с абсолютным пространством, однородным и изотропным, обладающим эвклидовой геометрией, пассивным вместилищем всех материальных объектов, и абсолютным временем, равномерно текущим в одном направлении, не зависящим ни от пространства, ни от находящихся в нем материальных тел. Такое пространство и такое время - это модель, позволившая сделать огромный шаг на пути обобщения наблюдаемых фактов - построить первую физическую теорию. Она оказалась очень хорошим приближением, так как скорость света очень велика, а вещество во Вселенной очень разрежено.

Когда говорят, что пространство однородно - это значит, что свойства его одни и те же в любой его точке; оно изотропно - это значит, что все направления в нем равноценны. Однородность и изотропность неизбежно требуют и бесконечностипространства: наличие любой границы - это уже неоднородность. Но представить себе абсолютное пространство - пустое бесконечное пространство, существующее независимо от присутствия или отсутствия в нем материи, - оказалось очень трудно. Невозможно сравнить протяженности двух «пустых»частей пространства. А для «непустого» пространства так же трудно предположить полную независимость от того, чем оно наполнено.

Аналогичная трудность возникла и со временем. Если время абсолютно, едино во всех частях пространства, то должна иметь место совершенно определенная последовательность во времени (или одновременность) событий, происходящих не только с одним и тем же объектом, но и с разными объектами, пространственно разделенными. Однако, установить такую последовательность или одновременность для пространственно разделенных объектов можно только при помощи сигнала, распространяющегося мгновенно, то есть с бесконечной скоростью. Опять возникла потребность в бесконечности, которую физически осуществить невозможно.

У времени есть еще одно удивительное свойство - однонаправленность. Время течет только в одном направлении - от прошлого к будущему. С этим его свойством связана необратимость эволюции, закон причинности. В то же время уравнения, описывающие большинство физических процессов (в частности все уравнения механики), симметричны относительно времени. Казалось бы нет никаких причин, которые запрещали бы времени течь вспять (по крайней мере локально), но мы видим, что направление течения времени задано абсолютно жестко. Причина в том, что это направление задается процессом расширения нашей Вселенной, диссипацией энергии и возрастанием хаоса, сопровождающими этот процесс. Подробнее об этом мы будем говорить позже.

Сейчас мы знаем, что и пространство и время, сама геометрия пространства и ход времени неразрывно связаны с материальными телами. Об этом говорит теория относительности, которая дает новую интерпретацию механизма тяготения и устраняет «дурные бесконечности», о которых мы говорили. Теория относительности представляет собой механику больших скоростей и градиентов гравитационного поля и в обычных ситуациях ее эффекты практически не заметны. Мы расскажем о ней немного позже а сейчас охарактеризуем концепцию взаимодействия,которая первоначально возникла вместе с моделью абсолютного пространства и времени.

В общем нам сейчас достаточно ясно, что организоваться в устойчивые структуры в пространстве и времени элементарные частицы, атомы и более крупные тела могут только если между ними действуют какие-то силы,которые обеспечивают связь частиц и тел между собой. Однако, такое представление существовало отнюдь не всегда. Первый, кто ввел понятие силы не только как причины движения, но как фундаментального организующего начала, был Исаак Ньютон, создавший свою знаменитую теорию всемирного тяготения. До Ньютона понятие силы прилагалось только к механическому воздействию одного тела на другое при непосредственном контакте.

Затем понятие взаимодействия расширилось, в Природе было обнаружено бесчисленное множество различных сил, обеспечивающих структурирование и движение природных объектов. И так же, как в случае с выяснением строения вещества, детальное изучение природы этих сил привело к выводу, что существует лишь небольшое число так называемых фундаментальных взаимодействий, не сводимых друг к другу, а все остальные являются лишь определенными комбинациями и вариациями этих немногих взаимодействий, которые можно назвать также и элементарными. (Концепция элемента работает и здесь - как «дочерняя» концепция единства и простоты мира).

Фундаментальных взаимодействий известно всего четыре: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Мы начнем с характеристики гравитационного взаимодействия, как исторически первого, положившего начало современной концепции взаимодействия вообще.

2.3.2. Ньютоновская теория всемирного тяготения - концепция центральных

дальнодействующих сил. Классическая механика

Основой теории Ньютона была концепция центральных дальнодействующих сил, изменяющихся обратно пропорционально некоторой степени расстояния от источника. Источником силы тяготения является любое тело. Все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Здесь появилось новое понятие - масса,определенное как мера способности тела притягивать другие тела.

Концепция дальнодействия(то есть действия на расстоянии, через «пустоту») была принята Ньютоном с трудом. Ньютон был вынужден принять ее, так как она позволила количественно описать все наблюдаемые движения небесных тел, хотя ему, также как и другим, было невозможно представить передачу какого-либо действия через пустоту. Не имея достаточных опытных данных, позволивших бы конкретно рассуждать о сущности сил тяготения и о способах их передачи от одного тела к другому, Ньютон оставил этот вопрос открытым. (Хотя позже он все же пытался рассуждать о возможной роли некоторой тонкой среды - эфира - в передаче тяготения).

Концепция дальнодействия потребовала принятия концепций абсолютного пространства и абсолютного времени в которых осуществляются гравитационные взаимодействия.

Затем Ньютон сформулировал свои три закона механики, где также фигурирует масса, но уже как мера инерции тела, мера способности сопротивляться действию силы. Она оказалась численно в точности равной массе, обеспечивающей тяготение, что было доказано экспериментально самим Ньютоном посредством опытов с маятниками, где действуют как силы тяжести так и силы инерции на одни и те же тела. Это было удивительно и непонятно, но это было так. Через две сотни лет Эйнштейн положил тождественность тяготеющей и инерционной масс в основу своей общей теории относительности, он постулировал это равенство как основной закон природы.

Концепция центральных дальнодействующих сил определила картину мира на столетия. Закон всемирного тяготения - это был первый всеобъемлющий физический закон, экспериментально подтвержденный, позволивший на основе очень простой идеи с единой точки зрения объяснить и все движения небесных объектов и падение карандаша со стола на пол и многое другое. Такого уровня обобщения и упорядочения до Ньютона наука не знала. Теория Ньютона описала огромный класс наблюдаемых явлений не только качественно, но и количественно. Более того, она позволила сделать множество предсказаний, которые оправдались с удивительной точностью. Именно предсказательная сила определяет мощь теории, и тут механике Ньютона не было равных.

По существу на основе Ньютоновской концепции была создана и теория электростатических взаимодействий: закон Кулона - это тот же закон Ньютона, где вместо массы стоит электрический заряд. Потом и другие силы, имеющие в своей основе электростатические взаимодействия были описаны как результат комбинации простейших кулоновских взаимодействий слагающих сложное тело частиц. Такие как межмолекулярные Ван-дер-Ваальсовские силы притяжения, пропорциональные седьмой степени расстояния, и им подобные. На основе Ньютоновской концепции центральных сил строились и первые модели атома. Концепция центральных сил, мгновенно действующих на расстоянии в абсолютном пространстве и времени, созданная Ньютоном, до сих пор работает почти во всех практических приложениях.

Ньютоновская теория позволила создать первую законченную модель мира в целом. Огромный успех теории Ньютона привел к возникновению так называемого механистического подхода- стремления объяснить абсолютно все явления природы с помощью ньютоновской механики

С ньютоновской механикой связана иконцепция детерминизма.Она утверждает, что в принципе возможно точно описать состояние Вселенной в любой момент как в прошлом так и в будущем, если точно известно ее состояние (координаты и импульсы всех составляющих ее частиц) в настоящий момент. Детерминизм исключает принципиальную случайность, он относит ее только на счет нашего незнания.

Впоследствии, по мере проникновения науки все дальше в глубины Космоса и в микромир были обнаружены границы применимости Ньютоновской механики. Оказалось, что в областях параметров далеких от тех, с которыми мы имеем дело в обыденной жизни, теория Ньютона не верна, и также не является всеобъемлющей концепция детерминизма. Была создана теория относительности и практически одновременно с ней - квантовая механика. И та и другая в пределе, при удалении от крайних, предельных значений скоростей, масс и энергий, переходит в привычную ньютоновскую механику в полном согласии с принципом соответствия.

2.3.3.Теория относительности

Теория относительности по-новому объясняет тяготение, связывая воедино движущиеся и тяготеющие массы, пространство и время. Она решает и проблему дальнодействия, отказавшись от концепции абсолютного, не зависящего от содержащейся в нем материи, пространства. Сначала, в 1905 году, Альбертом Эйнштейном была создана так называемая специальнаятеория относительности, представляющая собой по существу механику больших скоростей, а десятью годами позже - общаятеория относительности, представляющая собой теорию тяготения.

В основе специальной теории относительности (СТО) лежат два постулата: 1)равноценность инерциальных систем отсчета - законы природы одинаковы во всех системах координат, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга; 2) скорость света в вакууме во всех инерциальных системах одинакова и является максимальной возможной скоростью распространения любых взаимодействий.

Первый постулат выражает собой принцип относительности, четко сформулированный для механических систем еще Галилеем. Второй постулат связан с изучавшимися теоретически и экспериментально особенностями распространения электромагнитных излучений и, в частности, света. Конечная скорость распространения электромагнитного поля, равная 300000 км в сек, следовала из теории Максвелла, она же была найдена экспериментально сначала при помощи астрономических наблюдений затмений спутников Юпитера, а затем и в лабораторных экспериментах. И теоретики и экспериментаторы предполагали, что свет представляет собой колебания некой гипотетической среды с совершенно особыми свойствами - эфира, также как звук - колебания воздуха.

В этом случае должны были бы возникнуть определенные эффекты в случае излучения и поглощения света телами движущимися относительно друг друга, причем эти эффекты должны быть разными в зависимости от движения самого эфира, в частности от того увлекается эфир движущимися телами или нет. И вот тут экспериментальные результаты вступили в противоречие между собой.

Наблюдавшаяся астрономами аберрация - смещение видимого положения звезд, наблюдаемых в телескоп, зависящее от направления движения земного шара относительно этих звезд - указывала на отсутствие увлечения эфира. Этот результат считался закономерным – эфир абсолютная неподвижная среда, олицетворяющая само абсолютное пространство. Окончательным подтверждением абсолютности эфира должен был стать знаменитый опыт Майкельсона по измерению разности времени прохождения световым сигналом одной и той же базы в направлении движения Земли и перпендикулярном ему. Однако, вопреки ожиданиям измеренная с небывалой точностью эта разность оказалась равной нулю, скорость света относительно прибора оказалась одинаковой в направлении движения Земли и в перпендикулярном ему. Такой результат мог быть объяснен только если допустить полное увлечение эфира Землей и прибором Майкельсона.

Лоренц предложил выход из положения, предположив, что в опыте Майкельсона эфир тоже не увлекается, но все размеры в направлении движения сокращаются в соответствии с формулой:

,

Эйнштейн же принял свой постулат постоянства скорости света как закон природы, не связанный с эфиром и вывел из этого полный набор следствий, подтвердившийся в экспериментах. (Надо сказать, что большинство таких следствий и соотношений было получено до Эйнштейна, но лишь он свел их все под одной идеей, не связанной с эфиром). Основные следствия - это сокращение расстояний в направлении движения и, удлинение промежутков времени в движущейся относительно наблюдателя системе и возрастание массы при увеличении скорости.

Еще одно следствие (также полученное еще до Эйнштейна) - это связь массы и энергии. Кинетическая энергия в теории относительности определяется следующим образом: E_к=mc²(1-v²/c²)^-1. При v=0 кинетическая энергия покоя оказывается равной E=mc², а когда скорость приближается к скорости света энергия стремится к бесконечности. При скоростях значительно меньших скорости света она приблизительно равна mc²+mv²/2. О соотношении E=mc² следует сказать особо. Часто его интерпретируют как эквивалентность массы и энергии и даже как возможность превращения массы в энергию и наоборот. Это не совсем верно. Масса и энергия - это фундаментальные характеристики материи,каждая из которыхсохраняетсяпри любых преобразованиях, при этом масса и энергия пропорциональны друг другу. В теории относительности просто расширяется понятие энергии, в которое включается также и энергия покоя. Любой прирост массы на величину m увеличивает энергию покоящегося тела на величину mc², а любое приращение энергии на величину Е увеличивают массу тела на величину E/c². Световой квант с частотой n и энергией hn, движущийся со скоростью света, вообще не способный находиться в покое и потому не обладающий массой покоя, тем не менее обладает массой равной hn/c².

Энергия - это мера способности порождать движение. Масса - мера инерции или тяготения. mc² - это энергия покоя частицы, «куска материи» с массой m. Если у нас, допустим, аннигилируют электрон и позитрон и превратятся в гамма-кванты, то есть в электромагнитное излучение, масса не превратится в энергию. Просто энергия перейдет из одной формы в другую - из энергии покоя в энергию излучения - без изменения своей величины. При этом масса, как тяготеющая так и инерционная, не изменится также.

Можно сказать и так. Теория относительности утверждает что существуют два вида материи, способные переходить один в другой: один вид обладает массой покоя, другой - нет (но массой вообще, конечно, обладает и этот вид материи). Электромагнитное излучение и, по-видимому, некоторые другие виды излучения, не обладающие массой покоя, могут существовать только в состоянии движения с постоянной максимальной скоростью. Для любой материи с конечной массой покоя эта скорость недостижима. Если сообщать частице, обладающей массой покоя, все большую энергию, прирост скорости, сначала пропорциональный корню квадратному из энергии будет непрерывно уменьшаться так что скорость никогда не достигнет скорости света. Добавляемая же энергия будет все больше переходить в энергию, пропорциональную возрастающей массе покоя.

Все соотношения теории относительности с высочайшей точностью проверены экспериментально, прежде всего на элементарных частицах, скорости которых в экспериментах часто очень близко приближаются к скорости света. Например, в электронном синхротроне скорости электронов вплотную приближаются к скорости света, и большую часть времени ускорения электроны движутся практически с постоянной скоростью, и энергия их продолжает увеличиваться при каждом очередном прохождении резонатора с ускоряющим полем почти исключительно за счет прироста массы. m-мезоны, порождаемые космическими лучами в верхних слоях атмосферы, имеют время жизни около 10^-6 с, за которое они могут пролететь не более 300 метров. Однако высокоэнергичные m-мезоны достигают поверхности Земли, пролетая десятки километров, из-за релятивистского замедления времени для объекта, движущегося со скоростью близкой к скорости света: собственное время этих быстрых частиц для неподвижного наблюдателя растягивается в десятки раз.

СТО устанавливает неразрывную связь пространства и времени. Вместо раздельно существующих пространства и времени следует рассматривать единый четырехмерный континуум - «пространство-время», - где временная координата имеет вид ict (где с - скорость света, а i - мнимая единица). Эта координата введена условно как мнимая, однако интервал, равный корню квадратному из суммы квадратов разностей координат начала и конца отрезка в четырехмерном пространстве - величина вещественная, и именно он представляет собой инвариант - не меняется при переходе от одной инерциальной системы координат к другой. Если в классической механике было две независимых сохраняющихся величины - длина отрезка и продолжительность интервала времени, то в СТО остался лишь один инвариант -интервал в четырехмерном пространстве-времени. Можно сказать, что картина мира упростилась и мир стал выглядеть более единым.

Общая теория относительности (ОТО)основана на постулате эквивалентности сил тяготения и инерции, следующем из равенстватяготеющей и инертной массы. Если в СТО утверждается, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах координат при условии постоянства скорости света во всех таких системах, то в ОТО утверждается одинаковость законов физики во всех неинерциальных (движущихся с ускорением относительно друг друга) системах отсчета, при условии эквивалентности сил тяготения и инерции.

Эту эквивалентность следует понимать так: не существует такого физического эксперимента, который позволил бы в изолированной от внешнего мира кабине лифта определить движется ли он «вверх» с ускорением g где-то в "пустом" пространстве вдали от каких-либо масс,или стоит неподвижно на поверхности Земли, где g - ускорение силы тяжести. Или иначе: в закрытой кабине космического корабля космонавт не сможет никакими опытами определить висит ли он неподвижно в пространстве вдали от каких-либо массивных тел или свободно падает с ускорением на звезду или планету.

Вообще, если быть точным, то и в реальных ситуациях различить эти два случая возможно. Дело в том, что если гравитационное поле создается сферическим объектом (или вообще объектом конечных размеров), то оно убывает с увеличением расстояния от его центра, поэтому внутри любой кабины оно также будет меняться, и градиент его может быть в принципе измерен. Строго говоря, никакие эксперименты в кабине не смогут нам помочь отличить тяготение от ускорения лишь тогда, когда размеры этой кабины бесконечно малы по сравнению с расстоянием от центра тяготения. Поэтому такие эксперименты обычно называют мысленными, что не мешает им быть очень наглядными.

Падение тел в гравитационном поле рассматривается ОТО как свободное движение, а свободное движение совершается по так называемой «геодезической линии», которая есть прямая в эвклидовом «плоском» пространстве. В гравитационном поле движение происходит в общем случае не по прямой линии, которая, однако, также должна представлять собой геодезическую. Следовательно пространство следует считать искривленным. Ускорение под действием тяготения вместе с изменением направления движения так же описывается как свободное движение в искривленном четырехмерном «пространстве-времени». Описание движения в поле тяготения как свободного движения («по инерции») в искривленном пространстве-времени позволило А. Эйнштейну построить законченную стройную теорию гравитации, объясняющую все наблюдаемые факты, включая те, которые не смогла объяснить теория Ньютона.

Таким образом, оказывается, что при большей математической сложности теория Эйнштейна не только лучше, адекватнее, описывает движение и взаимодействие материальных объектов, но и упрощает это описание физически в том смысле, что делает его более общим, уменьшает количество первоначальных сущностей, необходимых для такого описания. В механике гравитационно взаимодействующих тел остается только движение по инерции. Направление и характер (ускорение) движения задается геометрией пространства-времени, которая, в свою очередь определяется распределением массы. С движением связано течение времени. То есть ОТО связывает воедино пространство, время и материю.

Но в то же время, если вникнуть в проблему гравитации глубже, под упрощением можно увидеть новые сложности. Прежде всего, «геометрическая», «нематериальная» природа тяготения выделяет его из всех других взаимодействий, затрудняет подход к задаче построения единой теории всех взаимодействий, которую ставит перед нами концепция единства мира. Попытки построения такой единой теории предпринимались и предпринимаются, о чем мы еще будем говорить, и, при этом, ученые пытались как «геометризовать» все взаимодействия (такие попытки делал сам Эйнштейн в последние годы жизни), так и построить теорию гравитации, не привлекая сложную геометрию пространства. Так или иначе, гравитация остается пока особым видом взаимодействия, выражающимся только в притяжении, присущим в одинаковой степени любому виду материи и не поддающимся экранированию (не зависящим от свойств среды, через которую оно передается). Эти свойства гравитации и привели к объяснению ее геометрическими свойствами пространства, в то время как объяснить таким же образом природу других взаимодействий не удалось. Здесь еще ждут нас новые сложности, под которыми неминуемо обнаружится снова изящная простота.

2.3.4. Электромагнитное взаимодействие. Концепция поля

Второе фундаментальное (элементарное) взаимодействие, описанное теоретически - электромагнитное.Это взаимодействие более сложное, чем гравитационное, но имеет с ним много общего. Силы взаимодействия между неподвижными заряженными объектами также пропорциональны произведению характерных величин - зарядов (подобно произведению масс в гравитации) и изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния - это те же центральные дальнодействующие силы, названные электростатическими. Однако, в отличие от гравитации, здесь возможны два знака заряда и два типа взаимодействия: притяжение и отталкивание. Электрическое взаимодействие в отличие от гравитационного может быть изменено с помощью экранов. Кроме того, оказалось, что относительное движение электрических зарядов порождает еще и магнитные силы, которые отражают другую сторону единого электромагнитного взаимодействия.

Магнитное взаимодействие было открыто независимо от электрического и долго считалось с ним не связанным. Оно также имело два типа "зарядов" и два вида взаимодействия – притяжение и отталкивание – но эти заряды не могли существовать отдельно друг от друга. Магниты существовали только в виде диполей. Единая теория электромагнитного поля вместе с теорией строения атома впоследствии объяснили эти особенности намагниченных тел.

При изучении электромагнитного (сначала отдельно - электрического и магнитного) взаимодействия впервые была введена в научный обиход концепцияполя,которая явилась развитием концепции близкодействия.

Понятие поля (электрического и магнитного) было впервые введено М. Фарадеем в 30-х годах 19-го века. Фарадей предположил, что заряженные тела взаимодействуют не непосредственно через пустоту, как ньютоновские массы, а создают вокруг себя особое состояние пространства, когда каждой точке пространства соответствует определенная (по величине и направлению) сила, действующая на помещенный туда другой заряд. Сила действует вдоль «силовых линий», соединяющих заряды как упругие нити. Сначала предполагалось, что эти силы создаются натяжением особой тонкой среды - эфира, - заполняющей все пространство, но потом, после создания теории относительности, поле стало интерпретироваться, как особая физическая, материальная сущность, обеспечивающая взаимодействие, и, как всё материальное, распространяющаяся со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Теорию электромагнитного поля создал тридцатью годами позже Дж. Максвелл. Из теории следовало, в частности, что поле способно существовать не только вокруг «зарядов», но и самостоятельно в виде электромагнитных волн. Электромагнитные волны представляют собой особое состояние материи, в котором она не обладает массой покоя, и способна существовать лишь в движении с максимально возможной скоростью - скоростью света. Свет и представляет собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Здесь, по-видимому, впервые, с такой яркостью проявилась мощь теории - было предсказано совершенно новое, неизвестное явление. Лишь позднее электромагнитные волны были обнаружены в эксперименте и еще позже было доказано, что и свет также представляет собой электромагнитные волны.

А как представить себе неподвижное, стационарное поле? Представление о неподвижном стационарном электрическом или магнитном поле является таким же практически удобным и вполне адекватным в большинстве случаев приближением, как и представление тяготения центральной дальнодействующей силой. Но это всего лишь приближение. Вообще поле следует рассматривать в рамках пространственно-временного континуума, где, строго говоря, вообще нельзя определить понятие стационарности, и, кроме того, к полю следует применять и понятие дискретности, квантованности, о котором мы подробнее будем говорить дальше. В квантовой теории рассматриваются кванты электромагнитного поля - фотоны, - и взаимодействие любых зарядов, как движущихся так и неподвижных, обеспечивается непрерывным обменом, так называемыми виртуальными фотонами.

Концепция поля, родившаяся при описании электромагнитного взаимодействия, была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Проще всего она прилагается к уже описанному нами гравитационному взаимодействию, хотя здесь ее трудно интерпретировать совместно с теорией гравитации ОТО, описывающей гравитацию как результат искривления пространства-времени. Сам Эйнштейн последние десятилетия своей жизни пытался объединить теорию гравитации и электромагнетизма в рамках идеи искривленного пространственно-временного континуума, но безуспешно. В настоящее время продолжаются попытки создания теории гравитации как теории поля без привлечения геометрических идей, но так же пока нельзя говорить о большом прогрессе.

Вообще, концепции единства и простоты мира непрерывно подталкивают ученых к обобщению теорий. Они все время ищут общее, симметрию, инварианты, объединяющие идеи. Интуитивно чувствуется, что все взаимодействия должны иметь единую природу и ее человек пытается обнаружить.

В конечном итоге электромагнитную природу имеют практически все сложные взаимодействия и силы, наблюдаемые нами вокруг себя: силы упругие, вязкие, адгезия (прилипание), трение. Любые контактные механические взаимодействия макроскопических тел - это результат взаимодействия атомов составляющих эти тела. Собственно говоря, само существование отдельных материальных объектов, предметов, окруженных отчетливой поверхностью и не объединяющихся друг с другом при соприкосновении, возможно потому, что атом состоит из двух типов заряженных частиц разного знака, а не просто из нейтрального вещества и имеет сферически симметричную структуру. Благодаря этому поверхность любого атома, представляющая собой электронную оболочку, заряжена отрицательно и отталкивает другую такую поверхность.

Несмотря на отталкивание электронных оболочек, атомы способны также объединяться - и физически, образуя однородные тела, и химически, образуя различные соединения. Это тоже связано со строением атома. Взаимодействие одного атома с другим деформирует его электронную оболочку, смещая ее относительно ядра, нарушает сферическую симметрию - атом поляризуется. Появляется возможность не только отталкивания, но и притяжения. Большинство молекул, представляющих собой соединения таких атомов, не вполне симметричны и обладают дипольными, квадрупольными и более высокого порядка электрическими и магнитными моментами. Наиболее прочные химические связи обусловлены особенностями самой внешней электронной оболочки, электроны которой способны переходить от атома к атому или становиться общими для двух атомов.

Все эти разнообразные взаимодействия очень сложны и обеспечивают образование бесчисленного количества сложнейших структур, вплоть до биологических. Все процессы жизнедеятельности различных организмов, включая и человеческое мышление, основаны на тончайшей игре взаимодействий электронов в сложных молекулярных структурах, то есть в конечном итоге на электромагнитном взаимодействии, которое в мире атомов и молекул управляется квантовыми законами, о которых мы скажем в следующем разделе.

В то же время богатство молекулярных структур зависит от разнообразия свойств атомов, количества и конфигурации электронов в их оболочках, что, в свою очередь, определяется зарядом ядра, количеством протонов в нем. Свойства же атомных ядер и сама возможность существования атомных ядер, состоящих из многих частиц, зависит от оставшихся двух фундаментальных взаимодействий - сильного и слабого, которые мы рассмотрим дальше.

2.3.5. Квантовая механика, дискретн

Поиск по сайту: