Садохин А. Концепции современного естествознания

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 5 Современные концепции физики

5.1. Структурные уровни организации материи

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир — это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура — это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют-

96

ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями — вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты — несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды — светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены

97

друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике — порядка триллиона. Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см3, т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (1015 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) — группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи

98

звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики — совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина — 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

1. световой год — расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;

2. астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;

3. парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк — 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым годам.

99

Структура макромира

Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

На рубеже XIX—XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

1. выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

2. подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

3. доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Концепция элементарных частиц. Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как

100

электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30—50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. — нейтрон, а спустя четыре года — первая античастица — позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них — свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы — это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за-

101

ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Классификация элементарных частиц. Элементарные частицы — основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. Некоторые из характеристик положены в основу классификации элементарных частиц.

Так, одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:

• частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;

• лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон и нейтрино);

• мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

• барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все многообразие элементарных частиц можно подразделить на три группы:

102

1. адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

2. лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

3. частицы — переносчики взаимодействий. Частицы — переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10-10— 10-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10-24 до 10-26 с.

Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.

Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, — омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер

103

закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, неодинаковы. Данный закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны.

Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.

Теория кварков. В середине 60-х гг. XX в. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельного уровня делимости материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков. Ее авторами стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!». Само по себе слово «кварк» не имеет какого-либо смыслового значения и в переводе с немецкого языка оно означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Аароны состоят из более мелких частиц — кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков — их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами — парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов, кварка и антикварка — к образованию мезонов, трех антикварков — к образованию антибарионов. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными ре-зонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (т.е. как аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом:

104

u (up — верхний), d (down — нижний), s (strange — странный), с (charm — очарование), b (beauty — прелесть), t (top — верхний). Их обозначают первыми буквами своих названий.

Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые самими учеными выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Также понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, — условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, — синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон является комбинацией кварков uud, а нейтрон — udd.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т.е. 12 фундаментальных частиц, призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.

При объединении кварков и антикварков должны выполняться два условия:

1) суммарный электрический заряд кварков в адроне должен
быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;

2) кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компен
сировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцвет
ности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются так же, как
в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый
(бесцветный) цвет. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, си
него или красного — антикрасного, синего — антисинего и т.п.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют своего цвета и аромата. В слабых взаимодействиях кварки меняют аромат, но сохраняют цвет.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в многочисленных экспериментах, доводя точность измерений в них до очень высоких значений, но сделать этого не удалось. Ученым пришлось признать, что законы нашего мира запрещают существование отдельных частиц с дробным электрическим зарядом. Однако в 1969 г.

105

в Стэнфордском университете США были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов при бомбардировке электронами протонов бьио обнаружено, что электроны как бы налетали на твердые крохотные вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Ученые предположили, что эти твердые вкрапления и были кварками. В настоящее время теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.

5.2. Движение и физическое взаимодействие

Связь, взаимодействие и движение представляет собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время в научной картине мира ведущая роль отводилась движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. При этом признавалось, что в мире существуют и другие формы движения: биологическая, социальная, химическая, геологическая и др.

Несмотря на качественное разнообразие, у всех форм движения есть одна общая черта. Все они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структурные связи и контакты с другими материальными системами. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы. Таким образом, получается, что все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать — значит взаимодействовать, т.е. каким-либо образом проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в ре-

106

зультате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Общая характеристика физического взаимодействия

Описание процесса взаимодействия, раскрытие его механизма и форм проявления составляют одну из центральных задач всей физики. В контексте этой задачи в науке сформировались два различных способа описания механизма физического взаимодействия, основывающиеся на принципах дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Как было отмечено ранее, его автором стал И. Ньютон, который с помощью данного принципа пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, то мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту — посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это какое-то время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Однако чтобы свет дошел от Солнца до Земли, требуется уже около 8 минут, т.е. время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е.

107

идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Следовательно, многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известные в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи — так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда — квант — называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом — скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум — это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля.

Для создания модели физического взаимодействия нужно вспомнить, что материя может быть разделена на поле и вещество, которые соответственно представлены частицами-бозонами и час-тицами-фермионами. В процессе физического взаимодействия всегда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а переносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).

108

Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

• заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние;

• частицы поля являются виртуальными — существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены;

• оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот;

• обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица — переносчик взаимодействия.

Типы взаимодействий

Рассмотрим подробнее существующие физические взаимодействия. Для каждого взаимодействия можно назвать сферу его применения и значение для строения Вселенной, заряд — носитель взаимодействия и частицу — переносчик взаимодействия, результаты взаимодействия, место среди других взаимодействий, а также особенности, отличающие от других фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. В классической науке оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Отсюда следует, что любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы.

Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех известных современной науке взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта величина стала понятнее, можно провести следующую аналогию: если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

109

Гравитация, будучи очень слабой силой, тем не менее определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля, участвуют в гравитационном взаимодействии. Это было выяснено еще Ньютоном в открытом им законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне куда более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Правда, как считают ученые, при некоторых условиях гравитация может сравняться по своей значимости с другими силами, господствующими в микромире. Для этого требуется, чтобы вещество находилось в состоянии экстремально высокой плотности, равной 1094 г/см3 (планковская плотность).

Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью.

С точки зрения современной науки гравитационное взаимодействие должно происходить по предложенной нами модели. Гравитационный заряд равен инертной массе вещества. Он создает вокруг себя гравитационное поле (поле тяготения). Это поле должно иметь свою бозонную частицу. Ее назвали гравитоном. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между гравитонами, или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Поскольку экспериментально эта частица еще не обнаружена, она считается гипотетической. Тем не менее, косвенно ее существование удалось подтвердить.

Согласно современным представлениям движение тела, обладающего массой, под действием силы вызывает возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Поскольку гравитационная сила очень мала, то ее волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Именно поэтому гравитоны до сих пор не обнаружены.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации). Даже в антимире, если он существует, все античастицы обладают положительными значения-

110

ми массы и энергии. Поэтому гравитация всегда проявляется только как притяжение.

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и осуществляется между любыми телами в микро-, макро-и мегамире. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитные взаимодействия являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, электромагнитное взаимодействие подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

В отличие от гравитационной силы, электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле — между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное — между двумя движущимися заряженными частицами.

В современной физической картине мира основой теории электромагнитного взаимодействия является теория электромагнитного поля Дж. Максвелла. Однако современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Электрический заряд создает поле, переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных — отталкивания. В этом состоит еще одно отличие электромагнитного взаимодействия от гравитационного, которое проявляется только как притяжение.

Слабое взаимодействие — третий тип фундаментального взаимодействия, которое действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Слабое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического мас-

111

штаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Слабое взаимодействие значительно слабее электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось.

Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Манном, Р. Фейнманом и другими учеными. В ней утверждалось, что взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида — в кварки другого вида.

Однако к концу 50-х гг. XX в. новые физические исследования показали, что данная теория несовершенна, поскольку она работает только при малых энергиях частиц, участвующих во взаимодействии. Поэтому в 1960-е гг. независимо друг от друга С. Вайнберг и А. Салам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия — это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм — два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Модель слабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявление единого, более глубокого электрослабого взаимодействия. Так, на расстоянии более 10-17 см преобладает электромагнитный тип, а на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и элетромагнитный, и слабый типы.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые имели место в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части — электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия — на четыре составляющих (фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия и три тяжелых векторных бозона — переносчики слабого взаимодействия).

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий стало важным научным открытием, поскольку позволило успешно описать все процессы, происходящие при энергиях от долей элек-

112

тронвольта до сотен гигаэлектронвольт. Кроме того, эта теория позволила также объяснить превращение элементарных частиц друг в друга и понять сущность и механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и большинстве звезд.

Сильное взаимодействие, занимающее первое место по силе и являющееся источником огромной энергии, также было открыто только в XX в. Основная функция сильного взаимодействия — соединять кварки и антикварки в адроны. С его помощью ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, зеленого). Они присущи кваркам и выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные — притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами — бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue — клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия — до 10-13 см (порядка атомного ядра).

Электрический заряд есть только один, хотя он и может принимать положительные и отрицательные значения. Поэтому фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия — электрически нейтральны, они не переносят заряда. Когда кварки взаимодействуют друг с другом, они излучают глюоны и переходят в другое цветовое состояние. Поэтому глюоны тоже имеют цветовой заряд. Всего существует восемь глюонов — переносчиков сильного взаимодействия.

Как мы видели ранее, все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами — с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе расположены друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты по-

113

сле Большого взрыва в силу существовавших огромных температур было возможно свободное существование кварков.

Ядерное взаимодействие. До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Однако с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. Таким образом, кварки всех барионов связываются в единую систему — атомное ядро.

Ядерные силы — это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.

Теории Великого объединения и Суперобъединения

Существование отмеченных типов физического взаимодействия логично ставит перед физиками задачу поиска единой теории взаимодействия, которая позволила бы выявить универсальность всех фундаментальных сил, объяснить все четыре типа взаимодействий и объединить их в одной теории. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц. Поэтому физики-теоретики с 70-х гг. XX в. пытаются создать теорию Великого объединения фундаментальных взаимодействий, в которой электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия будут рассматриваться как различные проявления единого поля. Основанием для возможности создания такой теории служит то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10-29см) и при большой энергии (более 1014 ГэВ) электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия описываются одинаковым образом, а кварки и лептоны становятся практически неразличимы. Косвенно это свидетельствует об общности природы указанных типов фундаментальных взаимодействий.

Считается, что проявление этих полей возможно при сверхвысоких энергиях, существовавших на ранних этапах эволюции Вселенной. По мере понижения энергии Великое объединение сначала распадается на сильное и электрослабое взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнитное и слабое.

114

Физики пытаются построить еще более грандиозную теорию Суперобъединения. Она должна объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включая гравитационные силы. Данная теория строится на базе суперсимметрии и теории суперструн.

В основе нашего мира лежит симметрия. Поэтому квантовая физика предполагает, что должна существовать полная симметрия в описании вещества и поля, фермионов и бозонов. Иначе говоря, между этими частицами должно существовать полное физическое равноправие, они могут переходить друг в друга. Возможность такого перехода была открыта в 1970-е гг. и получила название суперсимметрии.

Благодаря идее суперсимметрии новую жизнь получила теория струн (сегодня ее называют теорией суперструн), создателями которой стали английский физик М. Грин и американский физик Д. Шварц. Они попытались отказаться от уже привычного описания элементарных частиц как точечных объектов. Эта теория описывает некие протяженные объекты — струны. Хотя струны являются протяженными объектами, они одномерны и представляют собой отрезки либо со свободными концами, либо соединенными в виде восьмерки. Их размеры — примерно 10-33 см (планковская длина).

В данной теории понятие струны становится синонимом понятия микрочастицы или локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые мы знаем и, быть может, откроем в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Эти возбужденные состояния струн можно сравнить с набором гармоний, вызываемых колебанием скрипичной струны. Более высокие гармонии струны будут наблюдаться как новые частицы с массой больше массы предыдущих частиц. Полагают, что высшие гармонии струн рождались только на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергии было в избытке. В обычных условиях существуют лишь состояния струн с наинизшей энергией. Введение понятия струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и, по сути, эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

В теории суперструн помимо очень сложных и громоздких вычислений есть еще некоторые сложности. В частности, теория предполагает, что на тех малых расстояниях, на которых существуют струны, должны проявляться дополнительные пространственные измерения. Есть варианты теорий для 11-мерного, 26-мерного и т.д. пространств. Эти лишние измерения, возможно, компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты на себя и не распространяются в область макромира.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, согласно расчетам, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть гипотетические частицы — тахионы,

115

которые имеют мнимую массу и движутся со скоростью, большей скорости света.

Подтверждение или опровержение теории суперструн, возможность или невозможность создания теории Суперобъединения — дело будущего. Над решением этих задач работают физики-теоретики, проверить экспериментально положения теории до сих пор не удалось.

В последние годы некоторые ученые начали обсуждать возможность существования еще одного типа взаимодействий — спинторсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля (поля кручения). Существуют предположения, что эти поля обладают способностью передавать информацию практически без затрат энергии. Также считается, что именно торсионные поля обеспечивают все известные сегодня парапсихиче-ские феномены и биоинформационное (энергоинформационное) воздействие. Если существование таких полей подтвердится, то это вновь приведет к пересмотру существующей физической картины мира.

5.3. Концепции пространства и времени в современном естествознании

В процессе создания естественно-научной картины мира возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных предметов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

Развитие представлений о пространстве и времени

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, однако их рассуждения носили стихийный и нередко противоречивый характер. Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно Ньютон в своей знаменитой книге «Математические

116

начала натуральной философии» ввел господствовавшие в науке до начала XX в. понятия пространства и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предложил различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это — минута, час, день, месяц, год.

С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время — как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он говорил о неразрывной связи материи с пространством и временем.

Однако взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные им законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания. Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсо-

117

лютного пространства и времени относительными. Тем не менее утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

Теория относительности

Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. Так, в механике господствовал классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциаль-ных систем отсчета, а в электродинамике — концепция эфира, или ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство и являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими системами.

Ряд ученых попытались решить данное противоречие. Среди них был нидерландский физик X. Лоренц, который вывел математические уравнения, называемые сегодня преобразованиями Лоренца, для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на этих телах, в зависимости от скорости движения.

А в 1905 г. в журнале «Анналы физики» появилась статья неизвестного тогда еще А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней и были сформулированы основы специальной теории относительности.

Специальная теория относительности. Около десяти лет размышлял Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики, и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться.

Специальная теория относительности (СТО) базируется на двух постулатах. Первый постулат СТО — расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные

118

системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Для путешественника, плывущего на корабле, книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы пустой тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой — всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим и действует не только в механике, но и в электродинамике.

Второй постулат СТО Эйнштейн позаимствовал из электродинамики — это принцип постоянства скорости света, которая в вакууме примерно равна 300 000 км/с. Второй постулат говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается к принципу относительности? Дело в том, что скорость света — самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира.

Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения (как в приведенном выше примере). Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

119

Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн и сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости. Она является предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинности, утверждающий, что причина всегда предшествует следствию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Вселенной, в мире воцарился абсолютный хаос и случайность.

Разумеется, все сказанное нами о скорости света, противоречит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности.

Классическая физика решала эту проблему очень просто в рамках концепции абсолютного времени, в соответствии с которой любые события во всех точках Вселенной совершались в рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому одновременность событий считалась реально существующим фактом.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, в которых находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, то наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важнейшие выводы специальной теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов. Относительными становятся не только скорости и траектории тел, как в классической механике, но и пространственно-временные характеристики тел, традиционно считавшиеся неизменными, — линейные размеры, масса и время протекания процессов. Оказывается, эти свойства зависят от скорости движения тел. Правда, изменения линейных размеров, массы и времени протекания процессов становятся заметными, если измерять их из другой системы, движущейся относительно первой системы с иной скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы должна быть очень большой, сравнимой со скоро-

120

стью света. Таким образом, релятивистские эффекты — это изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света. Их три:

1. сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше будут его размеры для наблюдателя. Если бы корабль смог двигаться со скоростью света, то его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю, что невозможно;

2. увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движущегося тела с точки зрения неподвижного наблюдателя оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим появилась самая известная формула теории относительности, связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать, что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е = тс2;

3. замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быстро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на космическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биологических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию был предложен так называемый парадокс близнецов. Если бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к звездам, то космонавт с точки зрения земного наблюдателя старился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после возвращения домой космонавт обнаружил бы, что брат значительно старше его. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем большей будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

121

Обшая теория относительности. В рамках общей теории относительности, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. В ней были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

Первый постулат общей теории относительности — расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл только по отношению к фактору, его определяющему.

Второй постулат — принцип постоянства скорости света — остается неизменным.

Третий постулат — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Теоретический анализ, который был сделан ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли.

Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях.

Сделанный вывод неразрывно связывал общую теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась. Эйнштейн использовал геометрию Б. Римана, которая верна для поверхности сферы, и сделал вывод о кривизне пространства-времени.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики — модели звезд и планет. Шарик будет прогибать лист резины тем больше, чем больше его масса. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела, подтверждает правоту Римана.

122

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала, отправленного на такое же расстояние, Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие эксперименты проводились, начиная с 1966 г., в качестве отражателя использовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так и оборудование межпланетных станций.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Существование черных дыр было предсказано общей теорией относительности. Если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км), оно превратилось бы в черную дыру. Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы. С нашим Солнцем такого не случится, а вот звезды, превосходящие Солнце по массе в 3 раза, в конце своей эволюции превращаются в такие объекты.

Свойства пространства-времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. В учебных целях свойства пространства и времени также рассматриваются отдельно.

Общие свойства пространства. Общими свойствами пространства являются:

1) протяженность, понимая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.),

123

возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;

2) трехмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением.

Общие свойства времени. Общими свойствами времени являются:

1) длительность, которая выступает как последовательность
сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за
каждым данным интервалом времени последующего. Длительность
предполагает возможность прибавления к каждому данному момен
ту времени другого, а также возможность деления любого отрезка
времени на меньшие интервалы.

Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е. существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход;

2) необратимость времени — общее свойство времени, означаю
щее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Про
шлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому
относятся все те события, которые уже осуществились и преврати
лись в последующие. Будущие события — это те, которые возникнут
из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. На
стоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые
реально существуют и способны к взаимодействию между собой.

Понятие настоящего, так же как и понятие современности, многозначно, так как охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее — это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом; для элемен-

124

тарных частиц — очень малые отрезки, которые для Галактики возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах будут еще более значительными;

3) одномерность времени, проявляющаяся в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.

Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени.

Так, в макромире все материальные тела имеют конкретные пространственные формы, размеры, скорости перемещения и т.д. Все материальные тела и процессы имеют конкретную длительность своего существования.

Также у материальных тел проявляются разные виды симметрии или асимметрии. В целом пространству присущи свойства изотропности и однородности. Изотропность — это отсутствие вьщеленных направлений (верх, низ и т.д.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Однородность — это одинаковость свойств пространства по всем направлениям. Но в структуре отдельных тел можно отметить анизотропию (тела расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других) и неоднородность.

Изучение пространства и времени продолжается и сегодня. Есть интересные исследования о социальном и биологическом пространстве и времени, гипотезы о природе времени.

Литература для самостоятельного изучения

1. Анисимов А. Что нас ждет в торсионном поле // Человек. 1994. № 5.

2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.

3. Винокуров И., Гуртовой Г. Психотронная война. М., 1993.

4. Девис П. Суперсила. М., 1989.

5. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности. М., 1984.

6. Новиков И.Д. Куда течет река времени? М., 1990.

7. Пайерлс Р. Частицы и силы // Фундаментальная структура материи. М., 1984.

8. Паркер Б. Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения Вселенной. М., 1991.

9. Фундаментальная структура материи / Под ред. Д. Малви. М., 1984.

10. Хелзин Ф., Мартин А. Лептоны и кварки. М., 1987.

11. Хокинг С. Краткая история времени. СПб., 2001.

.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука