Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит , Эпикур , Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем . Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.
Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.
Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).
Развитие Ф. как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.
В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом . Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.
Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х.Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал все основные законы этой науки (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.
Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге , Ньютон открыл закон всемирного тяготения (см. Ньютона закон тяготения). С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.
Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических батарей – дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви , М. Фарадей). В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).
В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.
Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики . Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака , на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым .
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.
На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла . В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л.Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.
Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения , подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена .
Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886–89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.
Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта , справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.
Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком , показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6×10 -27 эрг ×сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.
В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта , не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.
Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н.Бором в 1913.
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В.Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха , Х. А. Бете и Л. Неель Гинзбурга квантовой электродинамики. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко , Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.
Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.
В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235 U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах.
нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы , среднее время жизни которых составляет всего 10 -22 –10 -24 сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.
Прочитайте текст и выполните задания 21-24.
<...> Наука - это исторически сложившаяся форма человеческой деятельности, направленная на познание и преобразование объективной действительности, такое духовное производство, которое имеет своим результатом целенаправленно отобранные и систематизированные факты, логически выверенные гипотезы, обобщающие теории, фундаментальные и частные законы, а также методы исследования.
Наука - это одновременно и система знаний, и их духовное производство, и практическая деятельность на их основе.
Для всякого научного познания существенно наличие того, что исследуется, и то, как оно исследуется. Ответ на вопрос о том, что исследуется, раскрывает природу предмета науки, а ответ на вопрос о том, как осуществляется исследование, раскрывает метод исследования.
Качественное многообразие действительности и общественной практики определило многоплановый характер человеческого мышления, разные области научного знания. Современная наука - чрезвычайно разветвленная совокупность отдельных научных отраслей. Предметом науки является не только внеположный человеку мир, различные формы и виды движения сущего, но и их отражение в сознании, т.е. сам человек. По своему предмету науки делятся на естественно-технические, изучающие законы природы и способы ее освоения и преобразования, и общественные, изучающие различные общественные явления и законы их развития, а также самого человека как существа социального (гуманитарный цикл). Среди общественных наук особое место занимает комплекс философских дисциплин, изучающих наиболее общие законы развития и природы, и общества, и мышления.
Предмет науки влияет на ее методы, т.е. приемы, способы исследования объекта. Так, в естественных науках одним из главных приемов исследования является эксперимент, а в общественных науках - статистика. Вместе с тем границы между науками в достаточной степени условны. Для современного этапа развития научного познания характерно не только появление смежных по предмету дисциплин (например, биофизика), но и взаимное обогащение научных методологий. Общенаучными логическими приемами являются индукция, дедукция, анализ, синтез, а также системный и вероятностный подходы и многое другое. В каждой науке различаются эмпирический уровень, т.е. накопленный фактический материал - итоги наблюдений и экспериментов, и теоретический уровень, т.е. обобщение эмпирического материала, выраженное в соответствующих теориях, законах и принципах; основанные на фактах научные предположения, гипотезы, нуждающиеся в дальнейшей проверке опытом. Теоретические уровни отдельных наук смыкаются в общетеоретическом, философском объяснении открытых принципов и законов, в формировании мировоззренческих и методологических сторон научного познания в целом <...>
(Спиркин А.Г.)
Современная физика представляет собой чрезвычайно разветвленную отрасль знания. На основе тех или иных критериев она делится на ряд дисциплин или разделов. Так, по объектам исследования физику делят на физику элементарных частиц, атомного ядра, атомную физику, молекулярную физику, физику твердых тел, жидкостей и газов, физику плазмы и физику космических тел.
С другой стороны, подразделение физики можно производить по изучаемым процессам или формам движения материи: механическое движение; тепловое движение; электромагнитные процессы; гравитационные явления; процессы, вызванные сильными и слабыми взаимодействиями. Большинство процессов рассматривается на разных уровнях - макро- и микроскопическом.
Между обоими подразделениями физики существуют связи, так как выделение объекта исследования предопределяет характер процессов, подлежащих изучению, и характер используемых закономерностей. Так, например, в атомной физике основную роль играют законы механики (квантовой механики) и законы электромагнитных взаимодействий.
Подразделение физики по изучаемым процессам с очевидностью показывает, что в современной физике имеют дело не с разрозненной совокупностью множества не связанных или почти не связанных друг с другом законов, а с немногим числом фундаментальных законов или фундаментальных физических теорий, охватывающих огромные области явлений. В этих теориях в наиболее полной и общей форме отражаются объективные процессы в природе.
В фундаментальных физических теориях наше знание закономерностей природы предстает в настолько обобщенной форме, что отдельные аспекты этих теорий приобретают философский характер. Нам представляется бесспорным, что при исследовании методологических вопросов в физике целесообразно в первую очередь опираться на анализ фундаментальных физических теорий. В частности, при анализе соотношения между динамическими и статистическими закономерностями в физике следует прежде всего обратить внимание на фундаментальные теории динамического и статистического характера. Здесь сразу обнаруживается как то общее, что присуще тем и другим теориям, так и основное различие между ними. Это позволяет избежать сомнительных или неправомерных утверждений в самом начале исследования проблемы, сконцентрировать внимание на главном и не запутаться в частностях.
Само же выделение фундаментальных физических теорий в современной физике довольно однозначно и вряд ли может вызвать серьезные разногласия. Это выделение достаточно четко проведено, к примеру, в курсе теоретической физики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица и в других курсах.
К числу фундаментальных теорий динамического типа можно отнести: классическую механику Ньютона, механику сплошных сред, термодинамику, макроскопическую электродинамику Максвелла, теорию гравитации. Классическая релятивистская (не квантовая) механика также представляет собой фундаментальную теорию, но в интересующем нас отношении структуры - фундаментальных теорий и роли понятия состояния она очень мало отличается от механики Ньютона.
К статистическим теориям относятся: классическая статистическая механика (или более обще - статистическая физика), квантовая механика, квантовая статистика, квантовая электродинамика и релятивистские квантовые теории других полей.
Замечательным является наличие общности в структуре всех без исключения фундаментальных физических теорий. На это обстоятельство, насколько нам известно, не обращалось в философской литературе должного внимания. Общность фундаментальных теорий проявляется прежде всего в том, что все они вводят в качестве основного понятия - понятие состояния физической системы. Именно в фундаментальных теориях приобретает строгую определенность и именно фундаментальные теории выявляют общность значение этого понятия.
Понятие состояния в физике было впервые отчетливо выявлено при построении классической механики. Очень выразительно это подчеркнуто в лекции Е. Вигнера, прочитанной им в 1964 г. при вручении Нобелевской премии. Законы физики, говорит Вигнер, “определяют поведение изучаемых в ней объектов лишь при некоторых вполне определенных условиях, но в других условиях оставляют большой произвол. Те элементы поведения, которые не определяются законами природы, называются начальными условиями. Последние вместе с законами природы определяют поведение объекта в той степени, в какой это вообще возможно”. И далее: “Удивительным открытием эпохи Ньютона было как раз ясное отделение законов природы от начальных условий. Первые невообразимо точны, о вторых же мы, в сущности, ничего не знаем”.
Начальные условия не подчинены определенным закономерностям, между ними не существует связи, т. е. они могут быть произвольными в той мере, какую позволяют наложенные на систему извне связи. Значения начальных условий, можно сказать, зависят от предшествующей. эволюции системы, являющейся частью Вселенной. Для решения той или иной задачи они должны быть определены экспериментально или же заданы с помощью тех или иных соображений, учитывающих реальные обстоятельства постановки рассматриваемой задачи.
В классической механике Ньютона - механике системы материальных точек (частиц) - начальные условия задаются совокупностью координат r i и импульсов р i , (или скоростей v i ) всех частиц. Эти величины могут принимать произвольные значения: положение и импульс любой частицы не зависят от положений и импульсов всех других частиц.
Начальные условия вместе с законом движения (вторым законом Ньютона) полностью определяют поведение объектов, рассматриваемых в классической механике. Это обстоятельство является решающим для того, чтобы совокупность координат и импульсов всех частиц рассматривать как характеристику состояния системы. Уравнения движения однозначно описывают эволюцию этого состояния. Они определяют ускорения частиц в зависимости от сил. Силы являются однозначными функциями расстояний между частицами и их относительных скоростей.
Координаты и импульсы (или скорости) - основные физические величины в механике Ньютона, так как определяют состояние системы. Кроме того, все остальные механические величины (наблюдаемые), представляющие интерес для механики (энергия, момент импульса, действие и др.), выражаются в виде функций координат и импульсов.
Общими структурными элементами механики Ньютона можно считать следующие три элемента: совокупность физических величин (наблюдаемых), с помощью которых описываются объекты данной теории; характеристика состояний системы; уравнения движения, описывающие эволюцию состояния.
Выделив эти основные элементы в механике, мы убедимся в дальнейшем, что все фундаментальные физические теории имеют такую же структуру. В самом общем плане они построены одинаково.
Центральным элементом фундаментальной физической теории является понятие состояния. Главное и определяющее при формировании понятия состояния заключается в следующем: начальное состояние однозначно определяет конечное состояние в зависимости от взаимодействий внутри системы, а также в зависимости от внешних воздействий на систему. Система не обязательно должна быть замкнутой. Необходимо лишь, чтобы было точно известно, как внешние воздействия меняются с течением времени. Уравнения движения позволяют рассчитать конечное состояние системы по известному начальному.
Если состояние системы фиксировано, то в любой фундаментальной теории, так же как и в классической механике, можно определить все физические величины, представляющие интерес в данной теории.
Замечательно, что фундаментальные динамические теории существенно отличаются от фундаментальных статистических теорий только в одном отношении - в способе определения состояния. Этому обстоятельству в дальнейшем будет уделено главное внимание.
Довольно часто анализируется понятие состояния в различных динамических теориях и обращается внимание на общую структуру этих теорий. Нередко отмечают, что во многих отношениях аналогично обстоит дело и в квантовой механике. По этой причине ряд авторов не причисляет даже квантовую механику к чисто статистическим теориям. В действительности же и классические статистические теории имеют такую же общую структуру, как и динамические. Необходимо поэтому особо остановиться на понятии состояния в классических статистических теориях, так как с понятием состояния в этих теориях связано наибольшее число недоразумений. В этом отношении, как это ни странно, с квантовой механикой все обстоит более благополучно.
Вопрос о состоянии систем в различных динамических теориях относительно прост и трактуется большинством авторов приблизительно одинаковым образом. Мы останавливаемся на нем главным образом для полноты изложения. О характеристике состояния в классической механике уже было сказано. Отметим лишь дополнительно, что в этой теории переменными, характеризующими состояния системы, являются наблюдаемые теории - координаты и импульсы. При более абстрактных характеристиках состояния такое простое соотношение между наблюдаемыми и понятием состояния уже отсутствует.
Перейдем теперь к другим динамическим теориям. Механика сплошных сред. В механике сплошных сред все вещества рассматриваются как непрерывные. Их атомно-молекулярная структура не принимается во внимание. Соответственно вместо набора координат и импульсов состояние системы характеризуется функциями, описывающими распределение определенных физических величин в пространстве: плотностью r (r, t), давлениемp(r , t) и скоростьюv (r, t).
Уравнения гидродинамики идеальной жидкости, т. е. жидкости (или газа), сжимаемостью, вязкостью и теплопроводностью которых можно пренебречь, позволяют установить значения функций r , р и v в любой момент времени по начальным значениям этих функций и граничным условиям.
В вязкой, неидеальной жидкости происходит диссипация механической энергии за счет действия сил трения. Существенным становится теплообмен между отдельными участками движущейся среды. Механика сплошных сред перестает быть чистой механикой. Замкнутая система уравнений, однозначно описывающих эволюцию системы, должна включать термодинамические соотношения.
Термодинамика. В термодинамике тепловые процессы рассматриваются без учета молекулярного строения тел. Поэтому состояние термодинамической системы описывается совсем иначе, чем в механике. В простейшем случае газа основными величинами, задающими состояние системы, являются давление, объем и температура. Эти величины называются термодинамическими параметрами. Между ними существует связь, даваемая уравнением состояния. Состояние системы полностью характеризуется значениями независимых параметров. Число таких параметров называют числом степеней свободы термодинамической системы.
Первое и второе начала термодинамики вводят две однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. В классической термодинамике рассматриваются лишь состояния равновесия и равновесные обратимые (бесконечно медленные) процессы. Эволюция реальных систем во времени фактически не рассматривается. С помощью термодинамики можно лишь установить однозначные связи между термодинамическими параметрами различных равновесных состояний.
Неравновесные процессы изучаются в термодинамике необратимых процессов. В этой теории состояние системы характеризуется локальными термодинамическими функциями координат и времени. К их числу относятся: плотность массы, плотность импульса, температура, давление, плотность внутренней энергии или энтропии. Для локальных термодинамических функций записываются уравнения переноса, выражающие сохранение массы, импульса и энергии в движущейся среде. Эти уравнения совместно с уравнением состояния и калорическим уравнением, дающим зависимость энергии от давления и температуры, позволяют по начальным значениям локальных термодинамических функций проследить их эволюцию во времени.
Электродинамика. В электродинамике Максвелла объектом исследования является электромагнитное поле. Состояние электромагнитного поля характеризуется на-пряженностями электрического поля E(r , t) и магнитного поля Н (r, t). По известным электрическим и магнитным свойствам вещества, задаваемым диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m определяются две другие характеристики поля: электрическая индукцияD(r, t) и магнитная индукцияB(r, t).
Уравнения Максвелла для этих четырех векторов позволяют по заданным начальным значениям полей E иH внутри некоторого объема и по граничным условиям для тангенциальной составляющей либо E, либо Н однозначно определить величину электромагнитного поля в любой последующий момент времени.
Аналогично характеризуется состояние электромагнитного поля в теории Лоренца, описывающей микроскопические электромагнитные процессы. Основные уравнения этой теории - уравнения Максвелла - Лоренца, связывающие движение отдельных заряженных частиц с созданным ими электромагнитным полем, подобны уравнениям Максвелла.
Классическая релятивистская, механика. Возникшая в процессе развития электродинамики специальная теория относительности не принадлежит к числу фундаментальных теорий в указанном выше смысле. Она не вводит нового понятия состояния, характеризующего какие-либо специфические объекты. Специальная теория относительности принадлежит к числу принципов симметрии или инвариантности, которым удовлетворяют различные фундаментальные теории.
Релятивистская же динамика, обобщающая механику Ньютона на случай движения тел со скоростями, близкими к скорости света, отличается от механики Ньютона только формой уравнений движения. Состояние в классической релятивистской теории по-прежнему характеризуется координатами и импульсами всех частиц системы.
Теория гравитации. Современная теория гравитации дается общей теорией относительности Эйнштейна. Несмотря на всю новизну и необычность новой теории гравитации сравнительно со старой ньютоновской теорией тяготения, общая структура, присущая всем другим фундаментальным теориям динамического характера, остается без изменений. Состояние гравитационного поля характеризуется компонентами метрического тензора. Эволюция гравитационного поля описывается нелинейным уравнением поля Эйнштейна. Это уравнение позволяет в принципе определить метрический тензор в любой последующий момент времени по начальному значению этой величины и заданным компонентам тензора материи, описывающим ее распределение в пространстве.
Наиболее распространенная ошибка при введении и анализе понятия состояния в статистических теориях состоит в переносе на эти теории понятия состояния фундаментальных динамических теорий. Подобно тому как в классической механике состояние характеризуется определенным набором физических величин, состояние в статистической механике пытаются характеризовать таким же образом. Понятие состояния смешивается с произвольным набором значений наблюдаемых. В результате приходят к ложному выводу о том, что в статистических теориях отсутствует однозначная связь состояний.
Можно привести много примеров подобных неточных или неясных высказываний. Так, З.Августинек о статистической закономерности пишет следующее: “Примером закономерности этого типа может быть такая, согласно которой определенному состоянию системы S 0 соответствует во времениt 1 не одно определенное состояние S n , а определенное статистическое распределение состояний S n .
Согласно В. Краевскому, “в теоретической физике под состоянием какой-либо системы понимается совокупность значений всех (принятых во внимание в рамках данной теории) его параметров в данный момент” .
Ю. Б. Молчанов, фактически отождествляя явления и состояния, говорит, что в статистической закономерности “явления и состояния следуют друг за другом во времени неопределенным, неоднозначным, неуникальным образом”.
Можно привести три аргумента против утверждения о том, что в статистических теориях связь состояний неоднозначна.
В квантовой механике могут существовать в качестве частных случаев состояния с точно фиксированными значениями каких-либо величин, например координат. Такие состояния имеют вид произведения дельта-функций. Но в любой последующий момент времени вероятность обнаружения точных значений координат равна нулю. Можно говорить лишь о вероятности обнаружения частиц в определенных интервалах значений координат. И эти вероятности однозначно определяются начальным состоянием с помощью уравнения движения. Лишь в случае величин с дискретным спектром можно говорить о вероятностях точных значений величин во все моменты времени.
Не известно ни одного статистического закона, в котором состояния системы не были бы связаны однозначно. И вряд ли такой “закон” когда-либо будет открыт. В действительности во всех статистических теориях, отсутствует однозначная связь между физическими величинами, но не между состояниями.
Во всех фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятностную харакперистику системы. Состояние определяется не значениями физических величин, а статистическими распределениями этих величин, задаваемыми в той или иной форме. Соответственно в статистических теориях по известному состоянию однозначно определяются не сами физические величины, а вероятности того, что значения этих величин лежат внутри тех или иных интервалов. Однозначно определяются также средние значения физических величин.
Но уравнение движения по-прежнему однозначно определяет состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределении в начальный момент , если известна энергия взаимодействия между частицами системы, а также энергия взаимодействия с внешними телами. Никакого отличия в этом отношении от динамических теорий нет.
Вследствие однозначной связи состояний статистические законы выражают необходимые связи в природе. Благодаря этому мы можем говорить о статистических законах, т. е. утверждать, что статистические теории отображают существенные связи в природе. Именно наличие однозначной связи состояний означает, что мы имеем дело с законом природы: динамическим или статистическим (в зависимости от того, как определено понятие состояния). По-видимому, закономерные, т. е. необходимые, связи в природе не могут быть выражены иначе, чем через посредство однозначной связи состояний.
Остановимся на том, как характеризуется состояние в различных статистических теориях.
Статистическая механика и физическая кинетика. Максвелл первым понял, что при рассмотрении систем из огромного числа частиц нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делается в механике Ньютона. Необходимо ввести принципиально новую характеристику состояния. Состояние системы следует характеризовать не полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эmu значения лежат внутри определенных интервалов. На частном примере распределения молекул по скоростям Максвелл показал, что эту вероятность можно однозначно определить.
В классической статистической механике равновесных систем и физической кинетике (статистической теории неравновесных процессов) состояние системы задается функцией распределения f (r i , р i ,t), зависящей от координат r i , и импульсов р i , всех частиц системы и времени (для равновесных состояний функция f явно от времени не зависит). Функция распределения имеет смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых r i , р i , в определенных интервалах: отr i , р i , доr i +d r i , р i + d р i . По известной функции распределения можно найти средние значения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определенное (в заданных интервалах) значение.
Для равновесных состояний систем в термостате (т. е. для систем, находящихся в тепловом контакте с большим резервуаром постоянной температуры) функция распределения дается каноническим распределением Гиббса. Для нахождения этой функции нужно только знать функцию Гамильтона системы.
В статистической теории неравновесных процессов эволюция функции распределения со временем описывается с помощью того или другого кинетического уравнения. Это уравнение позволяет однозначно определить функцию распределения в любой момент времени по заданному начальному значению этой функции. Функция, зависящая от координат и импульсов всех частиц, подчиняется уравнению Леувилля. Однако решение этого уравнения - практически недостижимая задача, так как оно эквивалентно решению динамических уравнений движения для всех частиц системы. Поэтому используется приближенное статистическое описание с помощью более простых функций распределенияf(r, p, t), дающих среднее число частиц с определенными значениями импульсов р и координат r (одночастичной функции распределения). К их числу относится кинетическое уравнение Больцмана. Разновидностями уравнения Больцмана для плазмы являются кинетические уравнения Л. Д. Ландау и А. А. Власова.
Квантовая механика. Несмотря на то что квантовая механика очень сильно отличается от классических теорий, общая для фундаментальных теорий структура остается в силе и здесь. Вводится новое понятие - векторы состояния (волновая функция) y (r, t). Временное уравнение Шредингера однозначно определяет эволюцию состояния с течением времени.
Волновая функция представляет собой гораздо более абстрактную характеристику состояния, чем функция распределения в классических теориях. Это - вектор в бесконечномерном гильбертовом пространстве, имеющий смысл не самой вероятности, а амплитуды вероятности. Состояние в квантовой механике не выражается непосредственно через наблюдаемые. Однако y представляет собой полную характеристику состояния. Зная y , можно вычислить вероятность обнаружения определенного (в заданных интервалах) значения любой физической величины и средние значения всех физических величин.
Из того факта, что состояние в квантовой механике определяется амплитудой вероятности, а не плотностью вероятности, вытекает сугубо квантовый эффект интерференции вероятностей. Именно это в конечном счете характеризует особые, неклассические свойства объектов микромира. В других отношениях принципиальной разницы между классическими статистическими теориями и квантовой механикой нет.
Квантовая статистика. Разработанные в классической статистике методы почти во всем объеме были использованы при создании квантовой статистики. Существенное различие классической и квантовой статистик связано с тем, что квантовая механика в отличие от классической сама является статистической теорией. Эта принципиально статистическая природа квантовой механики совершенно не зависит от специальных методов физической статистики, в которых средними значениями всегда считают результаты усреднения по различным состояниям.системы. В квантовой же механике идет речь только о средних значениях в данном фиксированном состоянии системы.
Самое существенное отличие квантовой статистики от классической связано с принципом тождественности частиц в квантовой механике. Состояние системы не изменяется при перестановке одинаковых частиц. Если частицы имеют целый спин, то в одном и том же состоянии может находиться любое их число (статистика Бозе - Эйнштейна). Для частиц с полуцелым спином выполняется принцип Паули, согласно которому в данном состоянии не может находиться более одной частицы (статистика Ферми - Дирака). В настоящее время квантовая теория равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая.
Состояние системы в квантовой статистике задается вероятностью того, что квантовые числа, характеризующие систему, принимают определенные значения (вероятность заполнения квантового состояния). Уравнение, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе, носит название основного кинетического уравнения. Это уравнение позволяет в принципе проследить за эволюцией начального состояния во времени. Интегрируя основное кинетическое уравнение по всем переменным {квантовым числам), кроме набора одночастичных переменных, можно получить квантовые кинетические уравнения того же типа, что и классическое уравнение Больцмана.
Квантовая теория поля. В квантовой теории поля - релятивистской квантовой теории движения и взаимодействия элементарных частиц - методы квантовой механики распространяются на системы с переменным числом частиц.
Наиболее просто можно дать представление о сущности теории, если воспользоваться описанием процессов в конфигурационном пространстве (пространство Фока). Это описание является одним из возможных представлений теории, отличающимся от других большей наглядностью.
Состояние системы в квантовой теории поля характеризуется не одной волновой функцией для фиксированного числа частиц, а функционалом, представляющим собой совокупность волновых функций, каждая из которых определяет вероятность того, что система состоит из известного числа частиц с заданным распределением вероятностей их обнаружения в различных областях пространства. Уравнение движения в принципе позволяет проследить за однозначной эволюцией функционала, характеризующего состояние системы.
Число степеней свободы любой системы в квантовой теории поля бесконечно велико. Это не позволяет находить точные решения уравнений теории. В квантовой электродинамике - теории взаимодействия электронов, позитронов и фотонов - разработаны эффективные методы приближенного решения уравнений. Появляющиеся при этом бесконечности удается изолировать и после этого получать результаты, с большой точностью согласующиеся с экспериментом. Однако теория слабых и особенно сильных взаимодействий фактически не построена. Лишь в самое последнее время в работах С. Вайн-берга и А. Салама намечается объединение слабых и электромагнитных взаимодействий в рамках общей теории, допускающей изоляцию всех расходимостей.
Из того факта, что эволюция состояния в статистических теориях носит однозначный характер, нельзя делать вывода о том, что “чисто статистических” законов нет вообще и статистические законы всегда связаны с динамическими. Однозначная связь состояний образует ядро любого статистического закона, или, можно сказать, представляет собой динамический (в смысле однозначности) элемент статистической в целом теории.
Все статистические теории в физике называются статистическими по единственной причине: состояние системы в этих теориях определяется не самими значениями физических величин, а их статистическими распределениями, задаваемыми в той или иной форме. Если уже такая терминология принята, то нет никаких оснований говорить о “переплетении” динамических и статистических законов в рамках одной теории.
Конечно, единый закон, описывающий эволюцию состояния системы, можно разложить на ряд более элементарных законов. Можно считать, например, что наличие у электрона электрического заряда выражает один динамический закон; наличие полуцелого спина - другой динамический закон и т. д. Такую операцию с равным успехом можно провести как в статистической, так и в динамической теории, хотя польза от такого расщепления сомнительна. Однако на основе подобной мысленной операции очень часто приходят к выводу о переплетении динамических и статистических законов при описании процессов в микромире.
Подобные утверждения делают, к примеру, Г. А. Свечников (“теория микропроцессов представляет собой специфическое переплетение статистических и динамических законов”), И. С. Нарский (“соотношение динамических и статистических каузальных связей можно приблизительно и условно представить в виде сложных переплетений динамических “трубок”, внутри которых имеют место статистические закономерности”) и др.
При таком подходе на один уровень ставят динамические законы фундаментальных физических теорий и утверждение о том, что электроны имеют полуцелый спин (кстати, наличие спина у электрона следует автоматически из фундаментальной статистической теории - квантовой электродинамики). Произвольно вычленяют моменты однозначной связи характеристик отдельных объектов, а на однозначную связь состояний в статистической теории не обращают должного внимания. В результате вопрос о соотношении динамических и статистических законов оказывается основательно запутанным из-за произвольно употребляемой терминологии, не делающей различия между основным законом фундаментальной физической теории и простыми утверждениями частного характера.
Лишь при анализе соотношения между динамическими и статистическими закономерностями фундаментальных физических теорий, описывающих одну и ту же форму движения материи, можно видеть, что никакого “переплетения” динамических и статистических закономерностей нет, и четко проследить место и значение закономерностей того и другого типа. Динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы обеспечивают более совершенное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.
Страница 3 из 7
Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механической системы – системы материальных точек. Именно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физических теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы – основные величины в классической механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механической величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет ограниченную область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без которого построение всего здания современной Ф. было бы невозможным.
Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется следующими функцияциями координат (х, у, z) и времени (t): плотностью р (х, у, z, t), давлением Р (х, у, z, t) и гидродинамической скоростью v (х, у, z, t), с которой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.
Эйлера уравнение, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением, выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, которые приводят к диссипации механической энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть «чистой механикой»: становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механические процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике. Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.
Всё содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала – закона сохранения энергии, и второго начала, из которого следует необратимость макроскопических процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. В замкнутых системах внутренняя энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность макроскопических процессов в природе. В термодинамике основными величинами, задающими состояние системы, – термодинамическими параметрами – являются в простейшем случае давление, объём и температура. Связь между ними даётся термическим уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и температуры – калорическим уравнением состояния). Простейшее термическое уравнение состояния – уравнение состояния идеального газа (Клапейрона уравнение).
В классической термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в основные уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, температуру, энтропию и др. величины (локальные термодинамические параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения диффузии и теплопроводности, Навье – Стокса уравнения). Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных физ. величин.
В классической статистической механике вместо задания координат ri, и импульсов pi частиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам, f (ri, pi,..., rN, pN, t), имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени t (N – число частиц в системе). Функция распределения f удовлетворяет уравнению движения (уравнению Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех r, и pi (т. е. в фазовом пространстве).
Уравнение Лиувилля однозначно определяет f в любой последующий момент времени по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить средние значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от средних значений – флуктуации. Уравнение, описывающее эволюцию функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и называлось кинетическим уравнением Больцмана.
Гиббс получил выражение для функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (каноническое Гиббса распределение). Эта функция распределения позволяет по известному выражению энергии как функции координат и импульсов частиц (функции Гамильтона) вычислить все потенциалы термодинамические, что является предметом статистической термодинамики.
Процессы, возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамического равновесия, необратимы и изучаются в статистической теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой неравновесных процессов образует кинетику физическую). В принципе, если функция распределения известна, можно определить любые макроскопические величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.
Для вычисления физических величин, характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых функций распределения: одночастичных, дающих среднее число частиц с данными значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином (англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения, построение которых возможно для газов малой плотности, называются кинетическими. К их числу относится кинетическое уравнение Больцмана. Разновидности уравнения Больцмана для ионизованного газа (плазмы) – кинетические уравнения Ландау и А. А. Власова (30–40-е гг. 20 в.).
В последние десятилетия всё большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде основную роль играют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц, и лишь статистическая теория, как правило, способна дать ответ на различные вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать устойчивость высокотемпературной плазмы во внешнем электромагнитном поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза.
Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя основными векторами: напряжённостью электрического поля Е и магнитной индукцией В, являющимися функциями координат и времени. Электромагнитные свойства вещества задаются тремя величинами: диэлектрической проницаемостью?, магнитной проницаемостью (и удельной электропроводностью?, которые должны быть определены экспериментально. Для векторов Е и В и связанных с ними вспомогательных векторов электрической индукции D и напряжённости магнитного поля Н записывается система линейных дифференциальных уравнений с частными производными – Максвелла уравнения. Эти уравнения описывают эволюцию электромагнитного поля. По значениям характеристик поля в начальный момент времени внутри некоторого объёма и по граничным условиям на поверхности этого объёма можно найти Е и В в любой последующий момент времени. Эти векторы определяют силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся с определённой скоростью в электромагнитном поле (Лоренца силу).
Основатель электронной теории Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы. Эти уравнения, называемые Лоренца – Максвелла уравнениями, связывают движение отдельных заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.
Опираясь на представления о дискретности электрических зарядов и уравнения для элементарных электромагнитных процессов, можно распространить методы статистической механики на электромагнитные процессы в веществе. Электронная теория позволила вскрыть физический смысл электромагнитных характеристик вещества?, ?, ? и дала возможность рассчитывать значения этих величин в зависимости от частоты, температуры, давления и т.д.
В основе частной теории относительности – физической теории о пространстве и времени при отсутствии полей тяготения – лежат два постулата: принцип относительности и независимость скорости света от движения источника. Согласно принципу относительности Эйнштейна, любые физические явления – механические, оптические, тепловые и т.д. – во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых условиях протекают одинаково. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение системы не влияет на ход процессов в ней. Все инерциальные системы отсчёта равноправны (не существует выделенной, «абсолютно покоящейся» системы отсчёта, как не существует абсолютных пространства и времени). Поэтому скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух постулатов вытекают преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой – Лоренца преобразования. Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты частной теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей со скоростью света в вакууме с (любое тело не может двигаться со скоростью, превышающей с, и с является максимальной скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тела (все физические процессы в теле, движущемся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы отсчёта, протекают в раз медленнее, чем те же процессы в данной инерциальной системе, и во столько же раз уменьшаются продольные размеры тела). Из равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты замедления времени и сокращения размеров тел являются не абсолютными, а относительными, зависящими от системы отсчёта.
Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Эти уравнения пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: зависимость массы частицы от скорости и универсальная связь между энергией и массой (см. Относительности теория).
При больших скоростях движения любая физическая теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физической величины. Эта теория вытекает из принципов инвариантности, или симметрии в Ф. (см. Симметрия в физике).
Из четырёх типов фундаментальных взаимодействий – гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых – первыми были открыты гравитационные взаимодействия, или силы тяготения. На протяжении более двухсот лет никаких изменений в основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено не было. Почти все следствия теории находились в полном согласии с опытом.
Во 2-м десятилетии 20 в. классическая теория тяготения была революционным образом преобразована Эйнштейном. Теория тяготения Эйнштейна, в отличие от всех прочих теорий, была создана без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логического развития принципа относительности применительно к гравитационным взаимодействиям, и получила название общей теории относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный ещё Галилеем факт равенства гравитационной и инертной масс (см. Масса). Это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрического тензора, характеризующие метрику пространства-времени, одновременно являются потенциалами гравитационного поля, т. е. определяют состояние гравитационного поля. Гравитационное поле описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. В приближении слабых полей из них вытекает существование гравитационных волн, пока не обнаруженных экспериментально (см. Гравитационное излучение).
Гравитационные силы – самые слабые из фундаментальных сил в природе. Для протонов они примерно в 1036 раз слабее электромагнитных. В современной теории элементарных частиц гравитационные силы не учитываются, т.к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитационных сил становится решающей при взаимодействиях тел космических размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.
Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В середине 20-х гг. А. А. Фридман нашёл нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтвержден наблюдениями Э. Хаббла, открывшего закон красного смещения для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением времени). Др. пример предсказания теории – возможность неограниченного сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2–3 солнечных масс) с образованием т. н. «чёрных дыр». Имеются определённые указания (наблюдения за двойными звёздами – дискретными источниками рентгеновских лучей) на существование подобных объектов.
Общая теория относительности, как н квантовая механика, – великие теории 20 в. Все предшествующие теории, включая специальную теорию относительности, обычно относят к классической Ф. (иногда классической Ф. называют всю неквантовую Ф.).
Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией?. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926): она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, ???2, есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении? = ?(х, у, z, t) и величина???2?x?y?z определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t лежат внутри малого объёма?x?y?z около точки с координатами х, у, z. Эволюция состояния квантовой системы однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения.
Волновая функция даёт полную характеристику состояния. Зная?, можно вычислить вероятность определённого значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физические величины и средние значения всех этих физических величин. Статистические распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределённости Гейзенберга); их разбросы связаны неопределённостей соотношением. Соотношение неопределённостей имеет место также для энергии и времени.
В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в ограниченной области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физических величин являются собственными значениями операторов, которые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физической величине. Физическая величина принимает определённое значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом собственной функцией соответствующего оператора.
Квантовая механика Шрёдингера – Гейзенберга не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их систем со скоростями, много меньшими скорости света.
С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объяснена химическая связь, в том числе понята природа ковалентной химической связи; при этом было открыто существование специфического обменного взаимодействия – чисто квантового эффекта, не имеющего аналога в классической Ф. Обменная энергия играет главную роль в образовании ковалентной связи как в молекулах, так и в кристаллах, а также в явлениях ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Эта энергия имеет важное значение во внутриядерных взаимодействиях.
Такие ядерные процессы, как?-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения частиц сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект).
Была построена квантовая теория рассеяния (см. Рассеяние микрочастиц), приводящая к существенно другим результатам, чем классическая теория рассеяния. В частности, оказалось, что при столкновениях медленных нейтронов с ядрами поперечное сечение взаимодействия в сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Это имеет исключительно важное значение для ядерной энергетики.
На основе квантовой механики была построена зонная теория твёрдого тела.
Из квантовой теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном ещё в 1917, в 50-х гг. возник новый раздел радиофизики: были осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью квантовых систем. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо Ч. Таунс создали микроволновой квантовый генератор (мазер), в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В 60-х гг. был создан лазер – квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне длин волн (см. Квантовая электроника).
Подобно тому, как на основе классических законов движения отдельных частиц была построена теория поведения большой их совокупности – классическая статистика, на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика. Последняя описывает поведение макроскопических объектов в том случае, когда классическая механика неприменима для описания движения слагающих их частиц. В этом случае квантовые свойства микрообъектов отчётливо проявляются в свойствах макроскопических тел.
Математический аппарат квантовой статистики существенно отличается от аппарата классической статистики, т. к., как говорилось выше, некоторые физические величины в квантовой механике могут принимать дискретные значения. Но содержание самой статистической теории равновесных состояний не претерпело глубоких изменений. В квантовой статистике, как и вообще в квантовой теории систем многих частиц, важную роль играет принцип тождественности одинаковых частиц (см. Тождественности принцип). В классической статистике принимается, что перестановка двух одинаковых (тождественных) частиц меняет состояние. В квантовой статистике состояние системы не меняется при такой перестановке. Если частицы (или квазичастицы) имеют целый спин (они называются бозонами), то в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц. Системы таких частиц описываются Бозе – Эйнштейна статистикой. Для любых частиц (квазичастиц) с полуцелым спином (фермионов) справедлив принцип Паули, и системы этих частиц описываются Ферми – Дирака статистикой.
Квантовая статистика позволила обосновать теорему Нернста (третье начало термодинамики) – стремление энтропии к нулю при абсолютной температуре Т? 0.
Квантовая статистическая теория равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая. Заложены также основы квантовой статистической теории неравновесных процессов. Уравнение, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе и называемое основным кинетическим уравнением, позволяет в принципе проследить за изменением во времени вероятности распределения по квантовым состояниям системы.
Следующий этап в развитии квантовой теории – распространение квантовых принципов на системы с. бесконечным числом степеней свободы (поля физические) и описание процессов рождения и превращения частиц – привёл к КТП, наиболее полно отражающей фундаментальное свойство природы – корпускулярно-волновой дуализм.
В КТП частицы описываются с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность операторов рождения и поглощения частиц в различных квантовых состояниях. Взаимодействие квантованных полей приводит к различным процессам испускания, поглощения и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение одних частиц в определённых состояниях и появление других в новых состояниях.
Первоначально КТП была построена применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика). Взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется путём обмена фотонами, причём электрический заряд е частицы представляет константу, характеризующую связь поля заряженных частиц с электромагнитным полем (полем фотонов).
Идеи, положенные в основу квантовой электродинамики, были в 1934 использованы Э. Ферми для описания процессов бета-распада радиоактивных атомных ядер с помощью нового типа взаимодействия (который, как выяснилось впоследствии, представляет собой частный случай т. н. слабых взаимодействий). В процессах электронного бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон и одновременно происходит испускание электрона и электронного антинейтрино. Согласно КТП, такой процесс можно представить как результат контактного взаимодействия (взаимодействия в одной точке) квантованных полей, соответствующих четырём частицам со спином 1/2: протону, нейтрону, электрону и антинейтрино (т. е. четырёхфермионным взаимодействием).
Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза Х. Юкавы (1935) о существовании взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем мезонов (в то время ещё не обнаруженных экспериментально). Ядерные силы между нуклонами, согласно этой гипотезе, возникают в результате обмена нуклонов мезонами, а короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными свойствами (пи-мезоны) были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным проявлением сильных взаимодействий.
КТП является, т. о., основой для описания элементарных взаимодействий, существующих в природе: электромагнитных, сильных и слабых. Наряду с этим методы КТП нашли широкое применение и в теории твёрдого тела, плазмы, атомного ядра, поскольку многие процессы в этих средах связаны с испусканием и поглощением различного рода элементарных возбуждений – квазичастиц (фононов, спиновых волн и др.).
Из-за бесконечного числа степеней свободы у поля взаимодействие частиц – квантов поля – приводит к математическим трудностям, которые до сих пор не удалось полностью преодолеть. Однако в теории электромагнитных взаимодействий любую задачу можно решить приближённо, т.к. взаимодействие можно рассматривать как малое возмущение свободного состояния частиц (вследствие малости безразмерной константы? 1/137, характеризующей интенсивность электромагнитных взаимодействий). Теория всех эффектов в квантовой электродинамике находится в полном согласии с опытом. Тем не менее положение в этой теории нельзя считать благополучным, т.к. для некоторых физических величин (массы, электрического заряда) при вычислениях по теории возмущений получаются бесконечные выражения (расходимости). Их исключают, используя т.к. технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие величины для массы и заряда частицы заменяются их наблюдаемыми значениями. Большой вклад в разработку квантовой электродинамики внесли (в конце 40-х гг.) С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер.
Разработанные в квантовой электродинамике методы в дальнейшем пытались применить для расчёта процессов слабого и сильного (ядерного) взаимодействий, однако здесь встретился ряд проблем.
Слабые взаимодействия присущи всем элементарным частицам, кроме фотона. Они проявляются в распадах большинства элементарных частиц и в некоторых других их превращениях. Константа слабых взаимодействий, определяющая интенсивность протекания вызванных ими процессов, растет с увеличением энергии частиц.
После экспериментально установленного факта несохранения пространственной чётности в процессах слабого взаимодействия (1956) была предложена т. н. универсальная теория слабых взаимодействий, близкая к фермиевской теории?-распада. Однако, в отличие от квантовой электродинамики, эта теория не позволяла вычислять поправки в высших порядках теории возмущений, т. е. теория оказалась неперенормируемой. В конце 60-х гг. сделаны попытки построения перенормируемой теории слабых взаимодействий. Успех был достигнут на основе т. н. калибровочных теорий. Была создана объединённая модель слабых и электромагнитных взаимодействий. В этой модели наряду с фотоном – переносчиком электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами, должны существовать переносчики слабых взаимодействий – т. н. промежуточные векторные бозоны. Предполагается, что интенсивность взаимодействий промежуточных бозонов с др. частицами такая же, как и у фотонов. Т. к. радиус слабых взаимодействий очень мал (меньше 10-15 см), то, согласно законам квантовой теории, масса промежуточных бозонов должна быть очень велика: несколько десятков протонных масс. На опыте эти частицы пока не обнаружены. Должны существовать как заряженные (W- и W +), так и нейтральный (Z0) векторные бозоны. В 1973 экспериментально наблюдались процессы, которые, по-видимому, можно объяснить существованием нейтральных промежуточных бозонов. Однако справедливость новой единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий нельзя считать доказанной.
Трудности создания теории сильных взаимодействий связаны с тем, что из-за большой константы связи методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми. Вследствие этого, а также в связи с наличием огромного экспериментального материала, нуждающегося в теоретическом обобщении, в теории сильных взаимодействий развиваются методы, основанные на общих принципах квантовой теории поля – релятивистской инвариантности, локальности взаимодействия (означающей выполнение условия причинности; см. Причинности принцип) и др. К ним относятся метод дисперсионных соотношений и аксиоматический метод (см. Квантовая теория поля). Аксиоматический подход является наиболее фундаментальным, но пока не обеспечивает достаточного количества конкретных результатов, допускающих экспериментальную проверку. Наибольшие практические успехи в теории сильных взаимодействий получены благодаря применению принципов симметрии.
Делаются попытки построить единую теорию слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий (по типу калибровочных теорий).
Физические теории позволяют по начальному состоянию объекта определить его поведение в будущем. Принципы симметрии (или инвариантности) носят общий характер, им подчинены все физические теории. Симметрия законов Ф. относительно некоторого преобразования означает, что эти законы не меняются при проведении данного преобразования. Поэтому принципы симметрии можно установить на основании известных физ. законов. С др. стороны, если теория каких-либо физических явлений ещё не создана, открытые на опыте симметрии играют эвристическую роль при построении теории. Отсюда особая важность экспериментально установленных симметрий сильно взаимодействующих элементарных частиц – адронов, теория которых, как уже говорилось, не построена.
Существуют общие симметрии, справедливые для всех физических законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые симметрии, справедливые лишь для определённого круга взаимодействий или даже одного вида взаимодействия. Т. о., наблюдается иерархия принципов симметрии. Симметрии делятся на пространственно-временные, или геометрические, и внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц. С симметриями связаны законы сохранения. Для непрерывных преобразований эта связь была установлена в 1918 Э. Нетер на основе самых общих предположений о математическом аппарате теории (см. Нётер теорема, Сохранения законы).
Справедливыми для всех типов взаимодействий являются симметрии законов Ф. относительно следующих непрерывных пространственно-временных преобразований: сдвига и поворота физической системы как целого в пространстве, сдвига во времени (изменения начала отсчёта времени). Инвариантность (неизменность) всех физических законов относительно этих преобразований отражает соответственно однородность и изотропию пространства и однородность времени. С этими симметриями связаны (соответственно) законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии. К общим симметриям относятся также инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца и калибровочным преобразованиям (1-го рода) – умножению волновой функции на т. н. фазовый множитель, не меняющий квадрата её модуля (последняя симметрия связана с законами сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов), и некоторые другие.
Существуют также симметрии, отвечающие дискретным преобразованиям: изменению знака времени (см. Обращение времени), пространственной инверсии (т. н. зеркальная симметрия природы), зарядовому сопряжению. На основе приближённой SU (3)-симметрии (см. Сильные взаимодействия) М. Гелл-Ман (1962) создал систематику адронов, позволившую предсказать существование нескольких элементарных частиц, открытых позднее экспериментально.
Систематику адронов можно объяснить, если предположить, что все адроны «построены» из небольшого числа (в наиболее распространённом варианте – из трёх) фундаментальных частиц – кварков и соответствующих античастиц – антикварков. Существуют различные кварковые модели адронов, однако экспериментально обнаружить свободные кварки пока не удалось. В 1975–76 были открыты две новые сильно взаимодействующие частицы (?1 и?2) с массами, превышающими утроенную массу протона, и временами жизни 10-20 и 10-21 сек. Объяснение особенностей рождения и распада этих частиц, по-видимому, требует введения дополнительного, четвёртого, кварка, которому приписывается квантовое число «очарование». Помимо этого, по современным представлениям, каждый кварк существует в трёх разновидностях, отличающихся особой характеристикой – «цветом».
Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии очень велики, хотя причины возникновения этих симметрий до конца не ясны; возможно, они действительно обусловлены существованием и свойствами кварков.
Под научной парадигмой обычно понимается картина мира, основанная на самых общих представлениях физики об окружающем мире на тот период времени, когда эта картина принимается большинством научного сообщества.
Можно с уверенностью сказать, что не одна из современных физических теорий (включая общую теорию относительности Эйнштейна) не обходится без понятия инерциальной системы отсчета. Вот уже более трехсот лет физика развивается в рамках научной парадигмы Ньютона, в которой равномерное движение и покой систем отсчета оказывается выделенным. В своей знаменитой Механике Эрнст Мах выступил с резкой критикой парадигмы Ньютона, заявив о нереальности абсолютного пространства Ньютона и о равноправии не только инерциальных, но всех других (т.е. ускоренных) систем отсчета. Критика Маха оказалась столь плодотворной, что именно благодаря этой критике физики вначале отказались от абсолютного пространства Ньютона, создав специальную теорию относительности (Лармор, А.Пуанкаре, Г. Лоренц, А.Эйнштейн). Затем, А.Эйнштейн построил релятивистскую теорию гравитации, в которой инерциальная система отсчета была заменена ускоренной локально инерциальной системой (свободно падающий лифт Эйнштейна). Однако А. Эйнштейну не удалось добиться окончательного освобождения от понятия инерциальной системы отсчета и именно это обстоятельство является причиной углубления кризиса современной науки.
Пожалуй, нет такого затасканного слова среди физиков как фундаментальная физика. Почти все утверждают, что они занимаются фундаментальной физикой, хотя это бывает обычная рутинная работа. Это в полной мере относиться и к теоретической физике. Я полагаю, что разумно было бы определить фундаментальную теорию так:
физическая теория является фундаментальной, если ее уравнения не содержат подгоночных констант , а решения уравнений теории абсолютно точно предсказывают результаты эксперимента в той области явлений, где уравнения и принципы теории оказываются справедливыми.
В теории поля фундаментальными теориями являются теории гравитации Ньютона и Эйнштейна, а так же электродинамика Максвелла-Лоренца . Обе эти теории называют классическим, поскольку их основные принципы и уравнения допускают образное мышление, так необходимое для успешной работы физика. Что касается их квантовых обобщений, то релятивистской квантовой теории вообще не существует (есть только отдельные подходы к решению этой проблемы), а в квантовой электродинамике Максвелла-Дирака (как и в любой квантовой теории) потеряно образное мышление. По мнению большинства ведущих теоретиков (Гелл-Манн, Фейнман и т.д.), отсутствие образного мышления в квантовых теориях делает их непонятными и выводит их за рамки фундаментальных теорий. Именно по этой причине квантовая теория не может служить отправной точкой для дальнейшего развития фундаментальной физики (А.Эйнштейн).
Теория элементарных частиц представляет собой передний край современной физики. Поскольку элементарные частицы участвуют во всех известных (и пока неизвестных) взаимодействиях, то можно с уверенностью записать символическое равенство
ТЕОРИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ = ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ
Рис.1
На рис.1 схематически представлены основные физические теории, которые используются при описании элементарных частиц. Гравитационные свойства частиц описываются релятивистской теорией гравитации Эйнштейна (механика Эйнштейна). Эта теория относится к разряду классических фундаментальных теорий и ее «квантование» пока не завершено. Электромагнитные свойства частиц описываются классической и квантовой электродинамикой (электродинамикой Максвелла-Лоренца-Дирака), при этом ее классическая часть является фундаментальной в обозначенном выше смысле, а квантовая еще только ждет своего завершения как фундаментальная теория.
Впервые отклонение от законов электродинамики Максвелла-Лоренца обнаружил Э. Резерфорд, когда он рассеивал - частицы на ядрах золота. Он обнаружил, что на расстояниях порядка см от центра ядра взаимодействие между - частицей и ядром не описывается законом Кулона. Для объяснения наблюдаемых отклонений можно двигаться в двух направлениях: либо модернизировать уравнения Максвелла-Лоренца с тем, чтобы решение новых уравнений электродинамики приводили к потенциалу взаимодействия, обобщающему кулоновский; либо предположить, что существует новый тип поля не электромагнитной природы. Э. Резерфорд пошел по второму пути, предположив, что на малом расстоянии действует новый физический объект - ядерное поле, для описания которого нет уравнений. С этого момента возникла феноменологическая (поскольку нет уравнений) теория ядерных сил, потенциалы взаимодействия которых физики стали писать «от руки». В написанные руками потенциалы, как правило, входит одна или несколько подгоночных констант, которые могут варьироваться в зависимости от вида выбранного потенциала. Мы определим феноменологическую теорию как:
физическая теория является феноменологической, если она не имеет уравнений, решение которых приводит к потенциалу взаимодействия, поэтому потенциал вводится в теорию «руками» и содержит подгоночные константы.
Решения уравнений феноменологической теории предсказывают результаты эксперимента, как правило, вблизи тех параметров, которые входят в потенциал взаимодействия (выражаясь фигурально, «на расстоянии вытянутой руки»). Конечно, феноменологическая теория – это всего лишь первая попытка систематизировать наши представления в новой области физического знания и со временем феноменологическая теория должна быть заменена фундаментальной.
К феноменологическим теориям относятся теория сильного и слабого (с участием нейтрино) взаимодействия. Обе эти теории возникли в результате отклонения наблюдаемых явлений от законов электродинамики Максвелла-Лоренца-Дирака.
Чтобы описать наблюдаемые сильные и слабые взаимодействия заряженных (или нейтральных) элементарных частиц, физики пытаются объединить сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия путем объединения доступных им уравнений этих взаимодействий. Такими уравнениями оказываются квантовые уравнения движения взаимодействующих частиц во внешних полях, в качестве которых выступают электромагнитные, сильные и слабые поля. Например, для описания электро-сильных взаимодействий нерелятивистской - частицы с ядром берется уравнение Шредингера с кулоновским потенциалом, описывающим электромагнитное взаимодействие - частицы и ядра, и с феноменологическим ядерным потенциалом, описывающим ядерное взаимодействие - частицы и ядра. На больших расстояниях от ядра преобладают электромагнитные взаимодействия, поскольку ядерные на этих расстояниях слабы, и, наоборот, на малых расстояниях преобладают ядерные взаимодействия. Такой подход слишком упрощен и лишен какого-либо здравого смысла, поскольку «объединить» фундаментальную теорию электромагнетизма с феноменологической теорией ядерных сил это все равно, что попытаться «скрестить» живую лошадь с мотоциклом, основываясь на том, что то и другое есть средство для передвижения.
Точно также обстоит дело с объединением электромагнитных и слабых взаимодействий – такое объединение противоречит здравому смыслу, поскольку эти теории, если так можно выразиться, имеют разную генетику.
На рис. 1 представлены различные феноменологические полевые модели, предполагающие объединение всех известных видов взаимодействия элементарных частиц. Это квантовая хромодинамика (КДХ), калибровочные теории, использующие более широкие группы внутренних симметрий (SU(5), SU(8), SU(10), SU(11) и т.д.), суперсимметричные модели, объединяющие фермионы и бозоны, Теория Великого Объединения, теория струн, мембран, бран. Наконец, М – теория, которая является вершиной построения феноменологических теорий. По мнению ее авторов, эта теория объединяет Все и Вся, описывая все известные поля (включая гравитацию) и много того, что пока неизвестно. Тем не менее, все эти модели носят предварительный характер. Они образуют интеллектуальную мозаику, далекую от здравого смысла, поскольку по своей природе являются феноменологическими и основаны на огромном количестве разрозненных экспериментальных фактов, делающих феноменологическую теорию необозримой. Такое положение дел иначе как кризисом в теории элементарных частиц назвать нельзя.
В последние годы в астрофизике с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) были получены данные о существовании в Космосе двух аномальных физических объектов – «темной энергии» и «темной материи». По оценкам астрофизиков «темная энергия» и «темная материя» составляют 73% и 23% наблюдаемого вещества, и только 4% составляет известная современной науке материя (см. рис.2).
Рис.2
«Темная материя» потребовалась для объяснения стабильности огромного вращающегося облака из пыли и водорода, которое впервые наблюдалось в галактике HVC 127-41-330 с помощью мощного радиотелескопа Арессибо. Предполагается, что все галактики содержат «темную материю», на порядок превосходящую по массе все звезды галактик. «Темная материя» взаимодействует с обычным веществом гравитационно и не излучает известных нам полей (поэтому и получила название «темная»).
«Темная энергия» позволяет объяснить наблюдаемое аномальное ускорение расширения Вселенной, которое следует из анализа яркости удаленных сверхновых звезд. Наблюдаемая яркость соответствует такому красному смещению, которое можно объяснить существованием в удаленных областях Вселенной антиматерии, рожденной из вакуума одновременно с материей. Именно энергия вакуума («темная энергия») вызывает аномальное расширение.
В настоящее время уравнения для описания «темной энергии» и «темной материи» (даже феноменологические) не найдены. Это означает, что 96% вещества во Вселенной имеют неизвестную природу, что и определяет кризисную ситуацию в современной астрофизике.
Кризисное состояние физики наблюдается не только в микро и мегамире (теория элементарных частиц, астрофизика), но и макромире, причем большинство авторитетных исследователей предпочитают не замечать этого или относят наблюдаемые факты к «лженауке».
Еще в начале 20 века во многих странах появились патенты на механизмы,
демонстрирующие движение, которое невозможно объяснить уравнениями механики Ньютона. В нашей стране таким механизмом является инерциоид Толчина (рис.3) или его усовершенствованный вариант, представленный на рис. 4. Инерциоид Толчина демонстрирует трансформацию углового импульса, запасенного внутри изолированной от внешних сил механической системы, в линейный импульс центра масс. Этот импульс возникает под действием искусственно созданных сил инерции, которые имеют в механике особый статус и не подчиняются теоремам механики Ньютона. Экспериментальное исследование инерциоида показало, что принцип его движения может быть положен в основу универсального движителя, способного перемещать транспортное средство во всех средах, включая космос.
Несмотря на то, что уравнения классической электродинамики Максвелла-Лоренца проверены на огромном количестве экспериментов, существуют электродинамические устройства, работа которых не описывается этими уравнениями. На рис. 5 представлен внешний вид электроторсионного генератора Акимова, предназначенного для исследования влияния электроторсионного излучения на расплавы металлов. На рис. 6 показано внутреннее устройство электроторсионного генератора.
| Рис. 5 |
Рис. 6 |
В настоящее время в России на базе генераторов электроторсионного излучения разработаны торсионные технологии, позволяющие получать высококачественные металлы повышенной прочности и пластичности. На рис.7 представлены образцы силумина, выплавленного без воздействия (слева) и после воздействия (справа) электроторсионного излучения. Силумин, полученный в результате обработки расплавленного металла, имеет однородную структуру, повышенную по сравнению контрольным образцом пластичность и прочность.
Рис. 7
Многочисленные эксперименты показали, что электроторсионное излучение обладает высокой проникающей способностью и воздействует на спиновые свойства вещества. Эти же свойства демонстрируют генераторы Рустам Ройя из Пенсильванского университета.
Еще более удивительные макроскопические эффекты демонстрируют генераторы Джона Хатчинсона. Они позволяют менять структуру металлов даже при комнатной температуре, при дистанционном воздействии (на расстоянии порядка 1.5-2 метра от излучающей антенны) приводят в механическое движение небольшие предметы различной природы (металл, стекло, дерево, пластик и т.д.) и даже демонстрируют уменьшение веса предметов, левитацию и антигравитацию.
В последние годы лавинообразно нарастает область явлений совершенно необъяснимая с позиций современной науки. Эти явления демонстрируют нам влияние сознания человека на физические процессы, при этом достоверность опытных данных в подобных исследованиях (ввиду вызывающей анормальности происходящего) иногда во много раз превосходят достоверность обычных физических экспериментов.
Программа по изучению явлений психофизики была инициирована профессором Принстонского университета Р. Джаном и официально утверждена в Принстонском университете в 1979 году. В Стендфордском университете психофизические явления изучались физиками Х. Путхоффом и Р. Таргом.
Рис.8
На рис. 8 представлены результаты исследований Р. Джана по воздействию оператора на генератор случайных чисел. В отсутствии воздействия оператора генератор случайных чисел выдает числа, подчиняющиеся гауссову распределению (кривая БП). Воздействие оператора проявляется в отклонение от гауссова распределения (кривые и ). Эти результаты (и подобные результаты во многих других экспериментах) проверялись исследователями неоднократно. Была обнаружена высокая достоверность, исключающая случайность происходящих событий.
В России научный подход к изучению явлений психофизики был организован группой сотрудников Ленинградского института точной механики и оптики (ЛИТМО) во главе с ректором института Г.Н. Дульневым. В течении многих лет Российские ученые пытались выяснить физическую природу взаимодействия сознания оператора с различными физическими процессами и приборами (см., например, рис 9).
Рис. 9
В результате огромной работы исследователи пришли к выводу, что ни одно из известных в современной физике полей не обладает такими свойствами, которые наблюдаются в психофизических экспериментах.
Из проведенного анализа современного состояния микро, макро и мега физики видно, что эта наука нуждается в глубинном пересмотре ее основ. Речь, конечно, может идти только о стратегическом расширении наших представлений об окружающем мире. Подобное расширение невозможно без обобщения основополагающих понятий физики, таких как пространство-время, принцип относительности, принцип инерции, система отсчета, масса, заряд, квантование и т.д. Только при таком существенном пересмотре основ у нас появляется надежда на фундаментальное описание наблюдаемых физических полей.
Особое требование к новой научной парадигме предъявляют психофизические явления. Мы должны пересмотреть привычное материалистическое понимание соотношения между материей и сознанием. Психофизика достаточно убедительно демонстрирует нам исключительную роль сознания в поведении материи, поэтому любая новая физическая парадигма, отводящая сознанию вторичную роль и не содержащая в своих основах этого понятия, обречена на неудачу.
Я предвижу, что уже в ближайшие годы нас ждут такие потрясения в физике, по сравнению с которыми научная революция в начале 20-го века покажется детской забавой.
