Концепции современного естествознания

p align="left">Луи де Бройль писал: ”День, когда была введена постоянная Планка, остается одной из замечательных дат в истории человеческой мысли”.

С постоянной Планка вошло в науку представление о дискретности энергии в микромире; постоянная Планка оказалась связанной с понятием о строении атома.

Каково строение атома? Известно, что на основе экспериментальных данных Резерфордом была создана планетарная модель атома. Это была последняя наглядная его модель. Предложенная Резерфордом модель была катастрофой для классической физики.

Согласно представлениям электродинамики Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому очень быстро упасть на ядро. Получалось, что с признанием модели атома Резерфорда следует пересмотреть классическую электродинамику, которая уже стала основой электромагнитной картины мира. Резерфорд понимал, что “его” атом обречен.

Но в 1913 году Резерфорду пришел пакет от молодого Нильса Бора с наброском его первой работы по квантовой теории строения атома. В этой статье Бор писал:”...существование мира постоянно доказывает, что атом - устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокруг ядра, вопреки

Максвеллу-Лоренцу, не излучают непрерывно. Так, если это не происходит и они, обессиленные не падают на ядро, не проще ли предположить, что в атоме есть пути, на которых электроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты! Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать...” По существу в этих словах выражено содержание знаменитых постулатов Бора, от которых и началась квантовая механика - новая физика.

Бор считал, что электрон, как и микрочастица в классической физике, движется по определенному пути. Эти пути - стационарные орбиты - Бор определял при помощи главных квантовых чисел. Атом может излучать энергию только тогда, когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую, причем эта энергия излучается в виде кванта.

Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бором, позволила объяснить многие факты, но возникло так много новых вопросов, на которые, как казалось физикам, невозможно было ответить. Эйнштейн писал: ”Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было строить...”

Ответ физики нашли, но для этого пришлось отказаться от прежних представлений о микропроцессах. В механической и электромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, их скорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любой заданный момент времени. В современной картине мира совершенно другой взгляд и на сами микрочастицы, и на их поведение.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. предложил рассматривать дискретные состояния электрона в атоме как волновые явления. Это давало возможность объяснить, почему электрон при своем движении вокруг ядра не излучает энергию (стоячая волна не излучает и не поглощает энергию). Вскоре была открыта дифракция электронов, что подтвердило наличие у них волновых свойств.

Математическое обоснование волновой модели атома дал австрийский физик Эрвин Шредингер. Решение составленного им для описания движения микрочастиц уравнения дает значения величины, известной в физике под названием пси-функции или волновой функции. Эта функция описывает движение электрона. Это движение не подчиняется законам механики Ньютона: если бы мы создали двум электронам абсолютно одинаковые начальные условия, то дальнейшее их движение могло бы быть совершенно различным, чего законы механики не допускают.

Поведение элементарных частиц вероятностное. Обусловлено это тем, что элементарным частицам присущи свойства корпускулы и волны. Для них невозможно с абсолютной точностью одновременно определить координату и импульс, изменение энергии и интервал времени, на протяжении которого происходит это изменение. Соотношения, которые дают возможность увидеть, как связаны между собой неопределенности при определении координаты и импульса, энергии и времени жизни микрообъекта введены в 1927 г. В.Гейзенбергом.

Оказалось, что не только макроскопические законы, определяющие массовый результат поведения микрочастиц, носят статистический характер, но и законы, определяющие поведение частиц в каждый момент времени и в каждой точке, являются статистическими.

Борьба идей дискретности и непрерывности материи завершилась слиянием обеих идей в представлении о свойствах элементарных частиц.

В механической и электромагнитной картинах мира элементарным понятием было движение себетождественной частицы. В МКМ такой частицей был атом, в ЭКМ на роль “абсолютных атомов” (неделимых и неизменных частиц, из которых состоит все сущее) претендовали электрон и протон.

Но открытие нейтрона в 1932 году привело к выводу, что в ядре атомов нет электронов и, значит, они образуются в результате распада нейтрона. Позитроны, открытые в космических лучах, дали возможность наблюдать такие удивительные процессы, как превращение электрон-позитронной пары в фотоны или, наоборот, превращение фотона большой энергии в электрон-позитронную пару.

Эксперименты в области физики высоких энергий изменили представление о мире... Начиная с Демокрита, атомисты объясняли бесконечное разнообразие вещей соединением и разъединением их частей, в этих процессах конечными и неделимыми частицами представлялись атомы. В их вечности и сохранении их числа усматривались доказательства вечности мира.

А в чем же мы видим опору для понимания несотворимости и неуничтожимости мира? Можем ли мы элементарные частицы считать “конечными частицами” материи аналогично тому, как атомисты представляли вечные и неделимые атомы?

Чтобы ответить на этот вопрос, подумаем, чем отличается понятие делимости в классической и современной физике.

Представим себе мысленный эксперимент, в котором моделью “конечной частицы” материи служит тарелка. Возьмем две тарелки и ударим одну о другую. С точки зрения классической физики возможны два случая:

1) тарелки останутся целыми, и тогда они “неделимы”; 2) тарелки разлетятся на кусочки, сложим их - форма тарелок восстановится; масса кусочков равна массе исходной тарелки. Тарелка делима.

Если бы набор посуды имел свойства элементарных частиц, мы наблюдали бы нечто совершенно иное.

Представим себе, что мы ударяем одну тарелку о другую. И ничего не происходит. Ударяем их с большей силой, и вот результат: у нас в руках оказываются две тарелки и одна чашка!

Можно ли их считать осколками двух тарелок? Конечно, нет... Эти образовавшиеся “элементарные частицы” имеют также статус элементарных частиц, как и исходные. Интересно, что масса образовавшихся частиц не обязательно равна массе исходных: она может быть как больше их массы, так и меньше, в зависимости от условий, в которых происходило взаимодействие.

Элементарные частицы - это более или менее стабильные образования материи, которые не делятся на осколки. Основное свойство ЭЧ - взаимопревращаемость. Мы не называем их “конечными частицами” материи и не пытаемся найти “конечные частицы”. Чем глубже мы продвигаемся в направлении увеличения концентрации энергии, тем дальше от нас отодвигается мираж конечных сущностей, “исходных кирпичиков мироздания”.

В современной картине мира ЭЧ - это простейший элемент данного поля, или просто “квант данного поля”. Поля современной физики можно сравнить со стихиями в картине мира древних мыслителей. Если они считали фундаментальными сущностями четыре стихии (землю, воду, воздух, огонь), то современная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявление четырех видов взаимодействий.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны в атомах и атомы в молекулах.

Слабому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторых частиц и за процессы с участием нейтрино.

Гравитационное взаимодействие действует между всеми материальными объектами.

Свести все разнообразные силы к единой основе, к чему стремилось человеческое знание на протяжении всего развития науки, современной физике пока не удалось.

Креативная роль физического вакуума

Произнося слово “вакуум”, мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое в повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц с массой me около с. Эта величина очень мала и говорит они не столько о “жизни”, сколько о кратковременном всплеске жизни весьма странных частиц и связанных с ними полей.

Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в раз больше массы протона). Такие частицы могут рождаться при температуре K. Существуют проекты огромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеются подтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

Одно из удивительных свойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии “раздувающейся Вселенной”.

Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип

Космология - раздел (?) астрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космология возникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюдений показывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления и сверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионов парсек. В еще больших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселенной распределено однородно.

Эйнштейн построил на основе своей теории космологическую модель статичной Вселенной. Исходной гипотезой было предположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А.Фридман доказал, что статичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решения уравнений ОТО. В общем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям, а к моделям, зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э.Хаббл установил, что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная расширяется.

Судьба Метагалактики зависит от средней плотности вещества. Средняя плотность определена как тогда как критическое значение плотности равно . Однако вполне возможно, что в галактиках существует скрытая масса вещества и действительное значение средней плотности выше критической. Кроме того, если масса покоя нейтрино не равна нулю, как это доказывают физики во главе с В.А.Любимовым, то во Вселенной могут существовать огромные нейтринные запасы: общая масса нейтрино может в 30 раз превысить массу обычного вещества (на один протон приходится почти миллиард нейтрино, а их общая масса в 30 раз больше массы одного протона).

Будет ли расширение Вселенной неограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силами тяготения. Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Критическое значение плотности, при котором расширение в будущем сменится сжатием, равно . Средняя плотность по данным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно, Вселенная должна расширяться все время.

Однако во Вселенной возможно имеется много невидимого вещества и средняя плотность может быть близка критической.

Поскольку наблюдения показывают, что галактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они были расположены теснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообще отдельных небесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, а плотность его была очень большой. Вселенная начала расширяться млрд. лет назад. При этом центра расширения не было. Все точки во Вселенной равноправны. Что было до начала расширения Вселенной, пока до конца не выяснено, так как при очень больших плотностях материи вступают в действие еще не известные нам законы природы.

В настоящее время большинство исследователей считают, что в начале расширения Вселенной материя была очень плотной и очень горячей - теория горячей Вселенной. Согласно этой теории Вселенная напоминала гигантский ускоритель “элементарных” частиц. Началом работы этого ускорителя частиц был Большой Взрыв, следствием которого является наблюдаемый в настоящий момент разлет галактик и их скоплений.

В отличие от обычного взрыва астрономический взрыв произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве.

Пока мало что известно о том, что происходило в первую секунду после начала расширения и еще меньше о том, что было до начала расширения. Общая схема последующей эволюции Вселенной представляется следующим образом.

Эра адронов длилась примерно от Атомов не было, но существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны и нейтрино различных типов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а также античастицы и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось в термодинамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества в единице объема было равно числу находящихся там же фотонов.

Главным событием адронной эры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов было несколько больше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качестве строительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длилась примерно от Температура уменьшилась до K, а плотность стала равной Лептоны аннигилировали: мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. В результате, качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино, которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях. После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам и тратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаяся энергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. В конце лептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов и нейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядер водорода.

Эра радиации длилась от t=10 с до примерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной а температура уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий - отрыв излучения от вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывом электронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится до сих пор. После отрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезд и планет.

Перед космологией стоят задачи узнать, почему началось расширение Вселенной, что было до этого, как образовались галактики и многое другое.

А был ли Большой Взрыв? Академик Я.Б.Зельдович (1983):”Теория “Большого Взрыва” в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца”.

На чем основана уверенность в справедливости теории “горячей Вселенной”?

Прежде всего отметим те данные, которые не противоречат этой теории.

Возраст Солнечной системы около 4,6 млрд. лет. Возраст самых старых звезд близок возрасту нашей и других галактик - 10-15 млрд. лет. В прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Распространенность химических элементов близка к соотношению, которое возникло во времена первичного термоядерного синтеза.

Но главным подтверждением теории “горячей Вселенной” считается открытие реликтового излучения. После “отрыва” излучения от вещества и последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому астрофизик И.С.Шкловский предложил назвать это излучение реликтовым. А.Пензиас и Р.Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию за открытие этого излучения (1965).

Не все ученые согласны с идеей Большого Взрыва. К их числу относятся такие известные астрофизики, как Х.Альвен (Швеция), Д.Нарликар (Индия) и др.

Дж.Б.Мэрион (1975): Основная трудность состоит в том, что в лаборатории нельзя провести контролируемый космологический эксперимент - мы должны полагаться на наблюдения над объектами, которые лежат на фантастических расстояниях от нас и на которые мы никак не можем влиять. Мы не знаем сколько-нибудь точно массу или размеры Вселенной. Мы не знаем, будет ли наблюдаемое расширение Вселенной продолжаться бесконечно. Мы не знаем, существует ли во Вселенной в каких-либо значительных количествах антивещество, существуют ли антигалактики. Мы не знаем природы квазаров, излучающих гигантскую энергию. Мы знаем не слишком много о деталях эволюции звезд после стадии красного гиганта. Мы не можем понять, почему в космосе существуют молекулы. Мы не имеем надежной теории космических лучей сверхвысоких энергий. И, разумеется, мы ничего не знаем о происхождении Вселенной, хотя имеющиеся данные указывают на то, что ее расширение - это результат происшедшего около 10 млрд. лет назад чудовищного взрыва, мощь которого даже невозможно себе представить. Но откуда взялось это гигантское количество изначальной энергии?

Со времен Коперника люди стали понимать, что наша планета и ее обитатели не занимают какого-либо привилегированного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике. Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы и Галактики, а фундаментальные свойства Вселенной удивительно “подстроены” под тот жесткий набор требований, без которого не могли бы возникнуть ни галактики, ни ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум во Вселенной.

Мы живем в эволюционирующей Вселенной. Появление жизни и разума в нашей Вселенной стало возможным на определенном этапе ее эволюции. Если бы эволюция космический материи происходила несколько иначе, то не было бы ни наблюдаемой структуры Вселенной, ни нас как наблюдателей.

По существу, в современной космологии появился новый взгляд на Вселенную, новый принцип. Согласно известному ранее космологическому принципу, Вселенная выглядит почти одинаково из любой точки пространства (идеальный принцип требует, чтобы Вселенная выглядела совершенно одинаково и в любой момент времени). Теперь же к этому принципу добавляется новый - его называют антропным принципом. Сформулировать его можно разным способом, например: это принцип отбора только тех начальных условий (из всех имеющихся на ранней стадии Вселенной), которые совместимы с существованием разумной жизни.

Антропный принцип не есть новый фундаментальный физический закон. Принцип вообще не эквивалентен закону, а представляет собой один из уровней философского основания науки.

Происхождение галактик и Солнечной системы

Происхождение галактик и звезд (космогония) связано с возникновением неоднородностей в однородной среде. Крупномасштабные неоднородности с массой в солнечных образовали протоскопления галактик, и они представляли собой массивные облака газа. Такие облака приобретали не сферическую форму, а становились похожими на гигантские “блины”.

В разных частях расширяющейся Метагалактики могли возникать разные “блины” по массе, плотности и температуре. Результатом их эволюции было возникновение или скоплений галактик, или одиночных галактик. Специалисты надеются обнаружить “блины”, еще не успевшие превратиться в галактики. Взаимодействуя между собой, “блины” могут образовывать границы наблюдаемых ячеек крупномасштабной структуры Вселенной.

Если нейтрино обладают ненулевой массой, то уже на начальных стадиях расширения Метагалактики решающее значение для последующей эволюции играло появление нейтринных неоднородностей, которые играли роль “теста” для образования “блинов”. Далее предполагается, что нейтринные “блины” образовали ячеистую структуру, которая была невидимой, поскольку невидимы сами нейтринные облака. Когда обычное вещество начало собираться в центральных областях нейтринных облаков, стала проявляться невидимая ячеистая структура Вселенной.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22