Гармония, Единение, Любовь, Искренность,
Оптимизм, Свобода - ГЕЛИОС

На главную страницу  -  Содержание учебной программы

Физическая картина мира

Учебный цикл IV.
Научная картина современного мира

Физическая картина мира как синтез некоторых античных и современных представлений

На основе тезисов Областного семинара по физике при ДонНУ. Донецк, 2003.

Владимир ЛЕБЕДЕВ, Александр ПРИЛУЦКИЙ

Введение

Наши представления об окружающем мире формируются в узком диапазоне изменения физических параметров и мало отличаются на бытовом уровне от представлений первобытного человека. Можно было ожидать, что расширение этого диапазона методами экспериментальной физики приведет к конфликту между восприятием и физическими законами. Не удивительно, что теоретическая физика не смогла предсказать фундаментальные свойства материи, на основе которых построены релятивистская и квантовая механика – эти свойства не следуют из повседневного опыта и соответствующие разделы не могли возникнуть до экспериментальных открытий. Современные методы исследования, в значительной степени, связаны с отказом от наглядности. Невозможно представить не только целый ряд квантовых эффектов, но даже процесс распространения электромагнитных волн.

Возникает задача создания физической картины мира, в которой парадоксальные свойства должны быть следствием более универсальных постулатов, причем в жертву может быть принесено сложившееся мировосприятие.

Рассмотренный ниже вариант разработан на основе различных концепций, в частности, были использованы некоторые элементы из философских систем Платона, Аристотеля и Гераклита.

Учитывая сложность и многогранность этой задачи, авторы не претендуют на истину в последней инстанции. Мы предлагаем только основное направление и решение нескольких практических задач. Эта часть является введением и определяет общие принципы формирования материи. Описание основных структурных форм и расчет их параметров предполагается дать в следующих двух работах. В заключительной работе мы планируем рассмотреть некоторые вопросы, представляющие общий интерес.

Две основные концепции

За период с 6 в. до н.э. по 4 в. н.э. в Древней Греции были заложены основы современных философских течений. Разделение на собственно философию (по Аристотелю – метафизику) и естественные науки еще не оформилось, и каждая школа рассматривала окружающий мир как проекцию собственных идей. Полученные схемы в большинстве достаточно наивны, однако до настоящего времени без кардинальных изменений дошли два основных направления: материализм (Левкипп, Демокрит) и объективный идеализм (Платон, Аристотель и др.).

Демокрит считал, что существует бесконечное число разнообразных по форме и бесконечно малых неделимых частиц – атомов. Картина мира по Демокриту близка к современным представлениям: независимо существуют пустота (небытие) и атомы (бытие). Кроме ряда собственных свойств атомы обладают также подвижностью, т.е. способностью к движению в пустоте. Свойства вещей определяются типом, состоянием и пропорцией атомов.

Платон (427 г. – 347 г. до н.э.) развил принципиально иную концепцию. Условно назовем ее «трехслойной реальностью». Объективно существуют три уровня: мир идей, промежуточный уровень и мир вещей. Идеи Платона имеют скорее этический характер, однако, существуют также идеи вещей. Для определения промежуточного уровня Аристотель использовал греческое слово «хюлэ» по смыслу близкое к слову сырье или необработанный материал.

Если для существования мира по Демокриту не требуется каких-нибудь дополнительных условий, то мир по Платону предполагает сложный процесс взаимодействия: идея – сырье – вещь. Вопрос о способе и свойствах этих преобразований не мог быть решен в Древней Греции, однако основное направление уже было определено Гераклитом почти за сто лет до рождения Платона. Дошедшие до нас фрагменты, во всяком случае, те, которые удается понять, дают логически завершенную схему.

Система Гераклита

В основе философии Гераклита лежит тезис о крайней изменчивости окружающего мира. Мир вещей Гераклит сравнивал с ритуальным напитком «кикеоном», который расслаивался на компоненты, если его постоянно не встряхивать (фрагмент 125). Ключом к пониманию устройства мира по Гераклиту является фрагмент 30:

Этот мир, тождественный во всем, не создан никем из богов и никем из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живым огнем, мерами вспыхивающим и мерами угасающим. Отметим, что в Древней Греции не существовало определения «энергия», но наиболее близкая ассоциативная связь существует между энергией и огнем, тогда:

Этот мир существует вечно и создается естественным путем из однородного и изотропного пространства путем (периодического?) воздействия порций энергии. В этом взаимодействии выполняется закон сохранения энергии и принцип эквивалентности: Все обменивается на огонь, и огонь – на все, подобно тому, как золото на товары, а товар на золото (фрагмент 90). Огонь Гераклита делится на два типа: естественный и разумный (логос).

Возможно, при отсутствии необходимой терминологии, Гераклит пытался описать физическую картину мира, близкую, по смыслу, к трехслойной схеме Платона: идея – однородная и изотропная среда – мир вещей. Схема Гераклита предполагает наличие определенного физического процесса. Для описания этого процесса может быть подобрана модель и, в дальнейшем, вычислены константы, характеризующие эффекты трансформации.

Физическая модель

Для построения физической модели используем аналогию с формированием оптических изображений. Плоское оптическое изображение, например, на экране вашего монитора строится на основе динамической развертки. Этот принцип был использован русско-американским ученым Зворыкиным при создании телевидения и является основным в работе TV, мониторов и других систем.

Процесс преобразования основан на следующем:

если некоторая система может быть представлена последовательностью состояний: S₁; S₂; ... S_i .., где: S_i = f (x_i, p_i); x – пространственные координаты, p – набор параметров состояния (масса, заряд, спин и т.д.), причем x и p – конечны и не являются функцией времени, тогда возможна замена вида S_i = е(t), где: e(t) – функция одной переменной, зависящая от времени.

В общем случае число и вид функций выбирается оптимальным для каждой системы, например, в цветном телевидении принята одномерная функция e(t) и модуляция по трем основным параметрам (цветам).

Динамические системы имеют следующие характерные свойства:

• используется макро однородная среда (физический вакуум или экран с равномерным слоем люминофора);
• объекты являются возбужденным состоянием «сырья»;
• объекты непрерывно создаются и исчезают;
• объекты создаются в результате преобразования энергии в различных уровнях;
• система строится из дискретных единиц;
• интервал длины пропорционален времени и т.д.

Если все «элементарные пиксели» идентичны, а это подтверждается идентичностью генерированных состояний (частиц), то некоторая система S_i, составленная из N пикселей, эквивалентна N состояниям одного пикселя. Трехмерное пространство свернуто в точку и «расщеплено» во времени на N статических состояний. Физические параметры сводятся к правилам перехода между состояниями, т.е. набору математических операций. Соответственно эволюция такой системы, с нашей точки зрения, происходит как чисто информационный процесс. Возникновение такой системы из хаоса сводится к направленному информационному воздействию («В начале было Слово...»???).

Более привычный вариант предполагает существование физического вакуума, имеющего ряд возбужденных состояний, которые воспринимаются как материя, и периодического процесса развертки или «встряхивания». Периоду между «встряхиванием» соответствует квант времени и некоторая «элементарная длина» равная произведению кванта времени на максимально возможную скорость (скорость света). В течение кванта времени состояния статичны, т.е. не являются функцией времени. Аналогией кванта времени является период смены изображений на экране.

В сложных динамических системах, состоящих из множества пикселей, время инициализации одного пикселя всегда значительно меньше кванта времени. Макро равномерное и прямолинейное движение может рассматриваться как последовательность статических состояний с постоянным шагом равным «элементарной длине» и имеет смысл только как относительная вероятность (кстати, это решение парадоксов Зенона). Можно утверждать, что собственные характеристики такого процесса будут пропорциональны некоторым универсальным константам, проявляющимся при сопоставимости, например, средних значений импульса частицы и импульса, полученного при «встряхивании». Довольно прозрачный смысл приобретает принцип эквивалентности ОТО и т.д.

Различие между этими моделями имеет скорее философский характер. Физические свойства систем могут совпадать, если второй вариант является пространственно-временной разверткой первого.

Будем использовать пока «трехслойную модель», так как случайное возникновение синхронизированной системы представляется сейчас маловероятным.

В процессе компьютерного преобразования «программа – экран – оптическое изображение монитора» используется технически наиболее эффективное решение и, если наша реальность была создана, то существование динамической развертки приобретает определенный смысл.

Некоторые критерии идентификации

На первый взгляд наше обыденное восприятие мира и динамическая реальность могут совпасть, если считать, что квант времени конечен, но значительно меньше, чем постоянная времени любого из известных процессов. Однако некоторые физические свойства этих двух систем различны и существуют объективные критерии, позволяющие определить тип нашей реальности. Учитывая юбилей, рассмотрим эти различия в области, в основном, связанной со специальной теорией относительности (СТО) А. Эйнштейна.

5.1. В основе динамических систем лежит принцип целесообразности и для создания идентичных изображений, например буквы алфавита, используется один и тот же код. Идентичность элементов, например, элементарных частиц, обеспечивается идентичностью «пикселей», идентичностью кода и временной стабильностью системы преобразования. Идентичность элементарных частиц и физических законов в системе Демокрита постулируется. Эти позиции кардинально расходятся при выборе метода анализа частиц:

• предполагается бесконечный запас устойчивости (Демокрит);
• повторяемость процесса, как основа стабильности (Гераклит).

5.2. В динамической реальности отсутствует понятие «непрерывная траектория движения». Макро равномерное и прямолинейное движение заменяется набором статических состояний, отличающихся фазой модуляции в цикле развертки. Равномерно движущийся и неподвижный объект идентичны, с точностью до условий п.5.1. В рамках обыденного понимания запрет на возможность обнаружения скорости равномерного и прямолинейного движения был постулирован Ньютоном и является одним из постулатов специальной теории относительности (СТО) А. Эйнштейна .

5.3. В динамической реальности объект неподвижен относительно пространства. Так как скорость любого объекта относительно пространства равна нулю, то не существует взаимодействия между объектом и физическим вакуумом как функции скорости. Не имеет смысла попытка измерения скорости, относительно пространства, интерферометра Майкельсона (или любого другого устройства). Это свойство, характерное для динамических систем, заводит в тупик все попытки описания физического вакуума на основе традиционного понимания движения.

5.4. Некоторый отрезок длины (интервал) пропорционален эталону длины или эталону времени. Эта зависимость является необходимым признаком именно динамических систем. В рамках пещерного восприятия, такая связь является неожиданной и, даже в наше время, постоянно подвергается критике противниками СТО.

5.5. «...точно известно, что смещения в такой (электромагнитной) волне происходят в направлении, поперечном к направлению распространения. Однако такой вид смещений характерен только для твердых тел. Очень высокая скорость и очень малое затухание при распространении света от весьма далеких галактик приводит к выводу, что эфир, как носитель электромагнитной волны, близок по свойствам к абсолютно твердому телу с очень высокой упругостью. В то же время эфир может без трения проникать в физические тела и все эти тела, в том числе и твердые, могут совершенно свободно передвигаться в эфире.». В динамической системе не существует движения в пространстве или сквозь «эфир». В течение каждого кванта времени (за исключением короткого момента «встряхивания», соответствующего разрыву первого рода) пространство и физические объекты неподвижны относительно друг друга. Упругость среды может значительно превышать упругость известных материалов, т.к. мощность импульса, вызывающего перенос состояний, прямо пропорциональна числу элементов некоторой системы и является, в нашем представлении, бесконечно большой и т.д.

Мы не вводим надуманных свойств или принципов. Все это напоминает сложную мозаику и, если основные фрагменты уложены, то возможности для изменения картины весьма ограничены. В общем, «простая» концепция Демокрита приводит к более сложной физической картине мира, так как увеличивает число недоказуемых утверждений. На это обращал внимание еще Аристотель, называя Демокрита «легковесным».

Вывод

Существует два основных философских направления: «материализм» и «объективный идеализм». Каждому из этих направлений соответствует собственная система постулатов, на основе которой формируется наше мироощущение и, в конечном итоге, строится физическая модель (картина) окружающего мира. Традиционная и динамическая модель имеют различные физические свойства. Свойства нашего мира предельно близки к динамической модели.

Динамическая вселенная может существовать только при строгом выполнении физических законов и одновременно предполагает существование процессов, лежащих вне нашего прямого восприятия. Это позволяет говорить о корректности объединения и исследования естественных и идеальных свойств реальности.

Создание нерелятивсткой квантовой механики

Такие новые, представления и принципы были созданы плеядой выдающихся физиков XX в. в 1925—1927 гг. В. Гейзенберг установил основы так называемой матричной механики; Л. де Бройль, а за ним Э. Шредингер разработали волновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика — различные формы единой теории, получившей название квантовой механики.

В 1926 г. Гейзенберг впервые высказал основные положения квантовой механики в матричной форме. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях («наблюдаемыми» величинами, в терминологии Гейзенберга) — частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т.п. «Ненаблюдаемые» величины, такие, как координаты электрона, его скорость, траектория, по которой он движется, и т.д., не следует использовать в теории атома.

Однако в согласии с принципом соответствия новая теория должна определенным образом соответствовать классическим теориям, соотношения величин новой теории должны быть аналогичными отношениям классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и пользуясь классическими соотношениями, составить соответствующие им соотношения между найденными квантовыми величинами. Такие соответствия могут быть получены только из операций измерения.

Анализируя закономерности измерения величин в квантовой метке, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозможности одновременного точного измерения двух канонически сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенностей. Этот принцип является основой физической интерпретации квантовой механики.

Второе направление в создании квантовой механики сначала развивалось в работах Л. де Бройля. Он высказал идею о волновой природе материальных частиц. На основании уже установленного факта одновременно и корпускулярной, и волновой природы света, а также оптико-механической аналогии де Бройль пришел к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обратили серьезного внимания. Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с «удивлением, к которому, несомненно, примешивать какая-то доля скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние идеи де Бройля оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в них основу для создания новой теории квантовых процессов. В 1926 г. Шрёдингер, развивая идеи Бройля, построил так называемую волновую механику.

В квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезает. Так, например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электрона, волны складываются и образуют боровские разрешенные орбиты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют впадины, там орбиты не будут разрешены.

Волновая механика получила прямое экспериментальное подтверждение в 1927 г., когда К.Дж. Дэвиссон и П. Джермер обнаружили явление дифракции электронов. Кроме того, выяснилось, что правильно и количественное соотношение для длин волн де Бройля. Квантовая механика — теоретическая основа современной химии. С помощью квантовой теории удалось построить также совершенные теории твердого тела, электрической проводимости термоэлектрических явлений и т.д. Она дала основания для построения теории радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики.

Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности

Созданный группой физиков в 1925—1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественному охвату значительного эмпирического материала. Не оставалось сомнений, что квантовая механика пригодна для описания определенного круга явлений. Вместе с тем исключительная абстрактность квантово-механических формализмов, значительные отличия от классической механики, замена кинематических и динамических переменных абстрактными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятия электронной орбиты, необходимость интерпретации формализмов и др., рождали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения.

Возникла дискуссия о том, каким путем это нужно делать. А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово-механическое описание физической реальности существенно неполно. Иначе говоря, созданная теория не является фундаментальной теорией, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому ее необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами.

Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалась вплоть до конца 40-х гг. Завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце XIX в.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измеряемым устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределённого в пространстве, будь то световое поле или поле, которое описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти же микроявления выступают как частицы, как материальные точки. Причина корпускулярно-волнового дуализма, по Бору в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи: 1)каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе; 2) каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта.

Первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое поведение микрочастиц — на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга. При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, в другом случае — пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.

Методологические установки неклассической физики

Создание релятивистской, а затем и квантовой физики привело к необходимости пересмотра методологических установок классической физики. Представим в систематическом виде методологические установки неклассической физики:

· Признание объективного существования физического мира, т.е. его существования до и независимо от человека и его сознания. В отличие от классической физики, которая рассматривала мир физических элементов как качественно однородное образование, современная физика приходит к выводу о наличии трех качественно различающихся структурных уровней мира физических элементов: микро-, макро- и мегауровней.

· Явления микромира, микропроцессы обладают чертами целостности, необратимости и неделимости, которые приводят к качественному изменению представлений о характере взаимосвязи объекта и экспериментальных средств исследования.

· Причинность как один из элементов всеобщей связи и взаимообусловленности вещей, явлений, событий материального мира присуща и микропроцессам. Но характер причинной связи в микромире отличен от механистического детерминизма. В области микроявлений причинность реализуется через многообразие случайностей, поэтому микропроцессам свойственны не динамические, а статистические закономерности.

· Микроявления принципиально познаваемы. Получение полного и непротиворечивого описания поведения микрочастиц требует выработки нового способа познания и новых методологических установок познания.

· Основа познания — эксперимент, непосредственное материальное взаимодействие между средствами исследования субъекта и объектом. Так же, как и в классической физике, исследователь свободен в выборе условий эксперимента.

· Кардинальные изменения в методологии неклассической физики по сравнению с классической связаны с зависимостью описания поведения физических объектов от условий познания. В релятивистской физике — это учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света в вакууме. В квантовой физике — фундаментальная роль взаимодействия между микрообъектом и измерительным устройством, прибором. Неклассическая физика характеризуется, по сути, изменением познавательного отношения субъекта и объекта. В квантовой физике оно фиксируется принципом дополнительности.

· Если в классической физике все свойства объекта могут определиться одновременно, то уже в квантовой физике существуют принципиальные ограничения, выражаемые принципом
неопределенности.

· Неклассические способы описания позволяют получать объективное описание природы. Необъективность знания не должна отождествляться с наглядностью. Создание механической наглядной модели вовсе не синоним адекватного физического объяснения исследуемого явления.

· Физическая теория должна содержать в себе не только средства для описания поведения познаваемых объектов, но и средства для описания условий познания, включая процедуры исследования.

· В неклассической физике, как и в классической, игнорируется атомная структура экспериментальных устройств.

· Структура процесса познания не является неизменной. Качественному многообразию природы должно соответствовать многообразие способов ее познания. На основе неклассических способов познания (релятивистского и квантового) со временем должны сформироваться другие новые способы познания.

Во второй половине XX в. основное внимание физиков обращено на создание теорий, раскрывающих с позиций квантово-релятивистских представлений сущность и основания единства четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, «сильного» - «слабого» и гравитационного. Эта задача одновременно является задачей создания единой теории элементарных частиц (теории структуры материи). В последние десятилетия созданы и получили эмпирическое обоснование квантовая электродинамика, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия), есть перспективы на создание единой теории электромагнитного, «слабого» и «сильного» взаимодействий. Физики ожидают, что в отдаленной перспективе к ним должно быть присоединено и гравитационное взаимодействие. Таким образом, естествознание в настоящее время находится на пути к реализации великой цели — созданию единой теории структуры материи.

Теория кварков

Теория кварков — это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц —кварков. Кварки несут дробный электрический заряд, который доставляет либо -1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин - следовательно, относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта кварков: u (от слова up), d (от down-нижний), s (от strange-странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк – антикварк. Из трёх кварков состоят сравнительно тяжёлые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более лёгкие пары кварк – антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Например, протон состоит из двух “u” и одного “d” кварка (uud), а нейтрон – из двух “d” и одного “u” кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”.

Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие как бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами – точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц на конец XXв. равно 48. Из них: лептонов (6*2)=12 плюс кварков (6*3)*2=36.

Больше информации: http://www.bestreferat.ru/referat-59715.html

Для писем: nvpminsk@yandex.ru