Лекция: Универсальный эволюционизм

имела силу независимо от пространства и времени. Физика в течение двух

столетий развивалась в направлении применения механики И. Ньютона ко всё

более широким областям опьгга (Гейзенберг 1989: 52- 53).

Первая трудность возникла при рассмотрении в работах М. Фарадея (1791-1867) и

Дж. К Максвелла (1831-1879) электромагнитного поля. В механике Ньютона сила

тяготения задана, её природа не объяснялась, в работах Фарадея и Максвелла

силовое поле само стало объектом исследования, физики пьггались найти

уравнение движения для поля, а не законы движения для тел. Силовые поля

приобрели ту же самую степень реальности, что и тела в ньютоновской теории

(Гейзенберг 1989: 53). Максвелл вскрыл и электромагнитную природу световых

волн. Свет должен распространятся в лёгкой субстанции - эфире как звуковые

волны в воздухе (в вакууме звук не проходит), то есть свет движется в среде,

эфире, а поля - это деформации упругой среды, эфира. Но, движется ли эфир, и,

если да, то как световая волна проходит в движущемся эфире? Попытки

экспериментального обнаружения эфира Майкельсона, Морлея, Миллера (найти

разные скорости света по движению эфира и против) дали отрицательный

результат (Гейзенберг 1989: 65-66).

В 1905 году А. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности:

постулаты - эфира нет, свет распространяется в пустом пространстве,

электромагнитные поля реальны и могут существовать в пустом пространстве;

скорость света предельна, не может быть достигнута материальным телом,

постоянна для любых систем отсчёта. Следствия - эквивалентность массы и

энергии (позже экспериментально подтвердилось рождение микрочастиц из энергии

и "исчезновение" частиц в излучение), не может быть скорости выше скорости

света, так как нужна бесконечно большая масса-энергия, и изменение

представлений о пространстве и времени. Указания времени относительны и

зависят от состояния движения тела отсчёта, относительно и понятие

пространственного расстояния, мир является непрерывным чепарёхмерным единым

пространственно-временным континуумом, время утрачивает самостоятельность

(Эйнштейн 1965: 168-196, Гейзенберг 1989: 66-72).

Единая прежде физика распадается на четыре раздела: механика Ньютона (теория

движения материальной точки, механика твёрдого тела, вращательное и

колебательное движение, течение жидкостей, акустика, движение небесных тел),

термодинамика (статистическая теория теплоты, законы сохранения энергии и

возрастания энтропии), электродинамика и специальная теория относительности

(электрические и магнитные явления, оптика) и квантовая теория - теория

микромира (центральным понятием является функция вероятности, охватывает

квантовую и волновую механику, теорию атомных спектров, кванговую химию)

(Гейзенберг 1989: 56-57).

4.2.Основные этапы становления квантовой теории В классической физике все

свойства непрерывны (не существует двух классических систем, которые были бы

действительно одинаковы, из миллиардов планетарных систем звёзд не найдется и

двух из них, совершенно одинаковых) и имеется неограниченное число вариантов.

Поведение объектов зависит от начальных условий, которые могут принимать

непрерывный ряд значений - нет прерывов, скачков (Вайскопф 1977: 46). С

помощью идей непрерывности и неограниченности невозможно объяснить проблему

излучения нагретых тел (проблему излучения абсолютно черного тела).

Любой кусок вещества, будучи нагрет, начинает светиться и при повышении

температуры становится красным (излучение волнами), затем белым (излучение

более короткой волны). Если излучение непрерывно и излучается энергия в виде

волн всех частот, а разных частот бесконечно много, то энергия должна

излучаться бесконечно (ультрафиолетовая катастрофа или проблема излучения

абсолютно чёрного тела). Но в опыте так не бывает, ни одна звезда не излучает

бесконечно.

В 1895 году этой проблемой стал заниматься М. Планк (1858-1947) и в 1900 году

им была получена формула, в которой зависимость объёмной плотности излучения

абсолютно чёрного тела от частоты излучения носила спектральный характер. Это

означало, что энергия излучается порциями, дискретами, квантами (от лат.

сколько). Излучение ограничено, так как излучается не волна (непрерывность),

а порция, квант. Энергия одного кванта не может быть меньше 1~=6,62 10 "

(энергия одного кванта=длина волны, умноженная на постоянную Планка-Ь). Планк

на первый план выдвинул не проблему излучения, а проблему излучающего атома.

Мысль о том, что энергия может испускаться и поглощаться лишь дискретными

квантами энергии, была столь новой, что она выходила за традиционные рамки

физики (Гейзенберг 1989: 9-10).

В 1905 году А. Эйнштейн с помощью гипотезы Планка решил проблемы фотоэффекта

(выбивание из металла электронов под действием света) и удельной теплоёмкости

твёрдых тел. Эйнштейн предположил, что свет состоит из световых квантов,

корпускул, но на основе работ Максвелла и опытов Герца, свет может быть

объяснён как распространение электромагнитных волн. Возникает карпускулярно-

волновой дуализм. Результаты Эйнштейна были большим шагом вперёд на пути

развития новой теории, они обнаружили планковскую постоянную действия в

разных областях, не связанных с проблемой теплового излучения (Гейзенберг

1989: 11).

В 1911 году Э. Резерфорд (1871-1937) на основании наблюдений прохождения

альфа-лучей через вещество предложил планетарную модель атома. Атом состоит

из ядра, положительно заряженного и содержащего почти всю массу атома, и

электронов, которые движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся

вокруг Солнца. "имическая связь объясняется взаимодействием между внешними

электронами соседних атомов. Но эта модель не могла объяснить одну из самых

характерных черт атома, его удивительную устойчивость (планетная система

после столкновения с другой подобной системой никогда не возвратится в своё

исхОдное состояние, атом же углерода остаётся атомом углерода и после того,

как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое

соединение (Гейзенберг 1989: 11).

Объяснение этой необычной устойчивости было дано в 1913 году Нильсом Бором

(1885-1962) путём применения квантовой гипотезы Планка к модели атома

Резерфорда. Если атом может изменять свою энергию только прерывно, то атом

существует лишь в дискретных стационарных состояниях, низшее из которых есть

нормальное состояние атома. После любого взаимодействия атом возвращается в

это нормальное состояние (там же: 11-12). По квантовой теории атома Н.Бора

электрон не может спуститься ниже первой орбиты, переходит с орбиты на орбиту

скачками и при этом атом излучает или поглащает энергию, изменения энергии

дискретны (постулаты Бора). Теория Бора объяснила химические свойства атомов

и их линейные спектры, которые стали источником информации при изучении

микромира. Но оставались вопросы: что такое свет, частицы или волна?, как

объяснить более сложные атомы?, как вед6т себя электрон в атоме? Всё

отчётливее стали понимать, что попытка описать атомные процессы в понятиях

обычной физики приводит к противоречиям (там же: 13).

В 1924 году Л. де Бройль (1875-1960) выдвинул гипотезу о волнах материи

(через три года подтвердилась экспериментально) и попытался распространить

корпускулярно-волновой дуализм на элементарные частицы. В 1926 году

Э.»редингер (1887-1961) предложил непротиворечивый математический формализм,

отказываясь от представлений о квантах и скачках, а электроны объяснял как

трёхмерные волны материи. Осенью 1926 года начинается знаменитая дискуссия

между Н. Бором, Э. »редингером, В. Гейзенбергом (1901-1976) и копенгагенской

группой физиков, которая привела к непротиворечивой интерпретации квантовой

теории (Гейзенберг 1989: 198-203).

4.3. Копенгагенская интерпретация квантовой теории

В основу объяснения был положен принцип неопределенности В.Гейзенберга. Точно

описать поведение электрона нельзя, невозможно одновременно измерить точные

значения двух параметров любой микрочастицы. Проверка колоссального

количества эксперименгов по измерению различных параметров микрочастиц

выявила неопределённость. Неопределённость в положении частицы, умноженная на

неопределённость в её импульсе (скорость, умноженная на массу) не может быть

меньше постоянной Планка. Эго число не зависит от эксперимента и от частицы,

являясь фундаментальным свойством мира. Но можно указать вероятность, что в

определённый следующий момент времени электрон будет найден в определённой

точке камеры Вильсона. Функция вероятности описывает не само течение событий

во времени, а тенденцию события.

В мысленном эксперименте В. Гейзенберг показал, что в микромире реальность

различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет. В принципе можно

наблюдать электрон на его орбите, для этого нужен микроскоп с большой

разрешающей силой. Будет пригоден микроскоп, использующий лучи с длиной волны

меньшей размеров атома. В процессе наблюдения по меньшей мере один квант

света пройдёт через микроскоп и столкнётся с электроном, что изменит его

импульс и скорость. Следовательно, событие должно быть ограничено

наблюдением. Результат наблюдения не может быть предсказан, предсказывается

вероятность (не определённое событие, а ансамбль возможных событий). В

описание атомных процессов вводится субъективный элемент, так как

измерительный прибор создан наблюдателем. Мы должны помнить, что то, чго мы

наблюдаем, - это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в

каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов (Гейзенберг

1989: 27).

Н.Бор, исходя из принципа неопределённости, разрешил карпускулярно-волновой

парадокс. Согласно принципу неопределённости две характе истики частицы в

одном эксперименте нельзя наблюдать одновременно, следовательно, существуют

дополнительные языки описания одной реальности, каждое может быть верным

только отчасти. Электрон в атоме - волна материи (Л. де Бройль), но электрон

вылетает из атома и где-то находится, проявляется как частица. Н.Бор

советовал применять обе картины как дополнительные, они исключают друг друга

(одновременно одно и то же не может быть и волной и частицей), но и дополняют

друг друга.- открьггое признание необходимости метафорического мышления в

науке (В. В. Налимов). А. Эйншгейн не был готов к признанию принципиально

статистического характера новой теории и не хотел допустить невозможность

познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации

рассматриваемых процессов - Бог не играет в кости (Гейзенберг 1989: 203-207).

Окончательный ответ был получен в 1982 году в экспериментах А. Аспека:

Эжшггейн был неправ, квантовую неопределённость невозможно обойти (Дэвис

1989: 53- 54).

Квантовая теория изменила представления о реальности. Во-первых, атомные

явления представляют более сложную реальность, чем та, с которой сталкиваются

в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к

вмешательству приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов

макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как

раньше, "обособленным" от процесса наблюдения. Великим открытием квантовой

физики явилось обнаружение индивидуальных квантовых состояний, каждое из

которых представляет собой неделимое целое, пока не подвергается воздействию

средств наблюдения (Вайскопф 1977: 39-40). Во-вторых, квантовая теория

принесла идею тождественности, идентичности, точности, определённости веществ

в природе. Атомным явлениям свойственны определённые формы в

противоположность произвольно меняющимся формам в классической механике. В

рамках классической физики трудно понять, почему бы не существовать

электронам с немного меньшим зарядом, или с другой массой. В квантовой теории

объекты квантованны, возможны не любые орбиты, а только определённые. Два

атома железа идентичны, поскольку их орбиты квантованны. В классической

физике имеется неограниченное число вариантов и нет объяснения определённости

материи. Но определённость существует только до некоторого порога, существуют

пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, существует порог,

выше которого и ядро атома разлетается на части (Вайскопф 1977: 36-37, 46-

48). В третьих, то, что выводится из эксперимекгов, есть функция вероятности,

которая описывает не определённое событие, а совокупность возможных событий.

Переход от возможности к действительности совершается в процессе наблюдения

(Гейзенберг 1989: 23-25). В четвёртых, квантовая механика изменила

представление о "неизменных" час~ицах, неделимых атомах Ньютона -. атомы

можно разрушить, открылся мир субатомных и виртуальных частиц.

4.4. Мир субатомных частиц В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон при

исследовании катодных лучей доказал существование электронов (от греч.

янтарь), частиц отрицательного электричества, составных частей атома. Годом

раньше французский физик А. Беккерель открыл радиоактивный распад урановой

соли - испускание альфа-частиц (ядра гелия), эти частицы использовал Э.

Резерфорд, экспериментально доказавший существование ядра атома. В 1919 году

Э. Резерфорд осуществил и первую искусственную ядерную реакцию: облучая азот

альфа-частицами, он получил изотоп кислорода и доказал, что в состав ядра

атома азота входит протон (от греч. первичный, положительно заряженное ядро

водорода). В 1932 году Дж. Чэдвик открыл ещё одну ядерную частицу -

незаряженный нейрон и В. Гейзенберг, и независимо от него Д. Д. Иваненко, И.

Е. Тамм, высказали гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов

(ядро углерода, например, состоит из шести протонов и шести нейтронов)

(Фолта, Новы 1987).

В том же году Э. О. Лоуренс построил первый циклотрон (ускоритель

элементарных частиц (Фолта, Новы 1987). Ускорители частиц - это установки, на

которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении

субатомных частип. движущихся с большими скоростями, достигается высокий

уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц,

поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии (Дэвис 1989: 90-

91). Частицы открывают и в природных ускорителях, космические лучи

сталкиваются с атомами экспериментального устройства, а результаты

воздействия исследуются (так были открыты предсказанные позитрон и мезон). С

помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся

многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц: "кирпичики" вещества и

множество нестабильных, короткоживущих ("резонансы" живут 10 ~ с.) частиц,

распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы

(резонансы, гипероны, мезоны) - возбуждённые состояния других частиц

(протона, лепгона) (Вайскопф 1977: 50), что частицы не распадаются, а

взаимопревращаются, переходят в "своё иное", любая частица может быть

составной частью любой другой. Частицы могут "исчезать" в излучение и

проявлять волновые свойства.

Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы

вещества и частицы-переносчики взаимодействий ("окинг 1990: 63). Частицы

вещества делятся на адроны (участвующие в сильном взаимодействии) и лептоны -

лёгкие (Дэвис 1989: 93-102). В 1963 году М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг предложили

гипотезу кварков (слово "кварк" взято из стихотворной строки Дж. Джойса). Все

адроны построены из более мелких частиц, кварков. Из трёх кварков состоят

протон и нейтрон (их ещё называют барионами - тяжёлыми или нуклонами -

ядерными частицами). Протон стабилен, заряжен положительно, нейтрон

нестабилен, превращается в протон. Пары кварк-антикварк (у каждой частицы

есть античастица) образуют мезоны (промежуточные по массе между электроном и

протоном). Известно шесть ароматов (типов) кварков. Большинство физиков

считает их подлинно элементарными, не обладающими структурой (Дэвис 1989;

100, "окинг 1990: 69). В соответствии же с бутстрэпной гипотезой (бутстрэп -

от англ. шнурки ботинок) природа не может быть сведена к "кирпичикам" материи

типа кварков, но должна пониматься на основе связности. С бутстрэпной

картиной частиц как динамических паттернов во взаимосвязанной сети событий

был согласен В. Гейзенберг, который не верил в модель кварков (Капра 1996:

43-49).

К лепгонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и три типа нейтрино. Сегодня

принято считать электрон элементарным, точечным объектом (Вайскопф 1997: 79,

Дэвис 1989: 93). Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона. В

1931 году В. Паули (1900-1958) предсказал существование нейтральной частицы

нейтрино, в 1955 году в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона

сообразованием электрона и нейтрона. Эго самая удивительная частица. Её масса

меньше одной десятитысячной массы электрона, но она является самой

распространённой частицей во Вселенной и может вызвать её коллапс. Нейтрино

почти не взаимодействует с веществом, проникая через него, как будто его

вообще нет, пример существования неодномерных форм. Есть три типа нейтрино,

электронное, мюонное и тау. В 1936 году в продуктах взаимодействия

космических лучей обнаружили мюон, нестабильную частицу, распадающуюся на

электрон и два нейтрино. В конце 70-х открыли самый тяжёлый лепгон, тау-

лептон (Дэвис 1989: 93-95).

В 1928 году П. Дирак предсказал, а в 1932 году открыли анти-электрон или

позитрон (из одного гамма-кванта рождаются электрон и позитрон, положительно

заряженный электрон). Позже оказалось, что все частицы имеют античастицы,

взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов

энергии. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы

аннигиляция наполнила Вселенную излучением и вещества не было ("окинг 1990:

64, 71-72, Силк 1982: 123-125). "арактеризуются частицы наличием или

отсутствием массы, электрического заряда, спином (вращательная

характеристика, частицы вещества имеют спин +1/2,-1/2, частицы-переносчики

взаимодействий 0, 1 и 2) и временем жизни (Дэвис 1989: 38-41, 92, "окинг

1990: 62-63). Состояние электрона в атоме определяется квантовыми числами

(радиус, форма орбиты-поля, зарядом поля и спином). Частицы вещества

подчиняются принципу запрета В. Паули: две одинаковые частицы не могут

находится в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь одинаковые

координаты, скорости, квантовые числа. Без принципа Паули не было бы чёпсо

организованных структур, частицы превратились бы в однородное и плотное желе

("окинг 1990: 64). Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В.

Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила

взаимодействия может оказаться большой), частицы- переносчики или виртуальные

частицы, создающие силы между частицами вещества ("окинг 1990: 65).

4.5. Взаимодействия (силы) в природе С точки зрения современной физики всё,

что происходит в природе, можно свести к четырём фундаментальным

взаимодействиям (силам), которые являются источником всех изменений.

Гравитация (сила тяготения) первой из четырёх сил стала предметом

исследования науки, после появления в "Ч11 в. теории гравитации И. Ньютона

(закон всемирного тяготения). Гравитация, по Ньютону, действует на любых

расстояниях (дальнодействие), например, приливы океана вызваны притяжением

Луны, сила тяготения зависит от массы и удалённости от источника силы.

Гравитация удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках, притягивает к

Земле, вызывает вращение Земли вокруг Солнца. Каждая частица Вселенной

испытьвает действие гравитации и сама является источником этой силы

притяжения. Несмотря на всеобщий характер гравитационного взаимодействия, это

самая слабая сила природы, она не проявляется в мире микрочастиц, незаметна

на уровне макроскопических объектов. Возрастает же гравитация по мере

образования всё больших скоплений вещества.

В 1915 году А. Эйнштейн построил новую теорию гравитации - общую теорию

относительности. По Ньютону гравитационное взаимодействие передаегся через

пространство мгновенно, согласно же теории относительности, невозможно

распространение сигнала со скоростью выше скорости света. Эйнштейн

рассматривал гравитацию как поле, в котором могут зарождаться волны. По

Эйншгейну тяготение связано не с массой, а с геометрией пространства,

пространство испьгиявает воздействия масс, следовательно, если изменяется

гравитационное поле, то изменяется и пространство (искривляется). Геометрия

мира должна быть подобной геометрии искривлённых поверхностей. Гравитация

влияет и на течение времени (Гейзенберг 1989: 72-73, Дэвис 1989: 83).

Сегодня считается, что сила гравитации между двумя частицами материи

переносится безмассовой частицей со спином 2, которая называется гравигоном.

Гравитоны распростраюпотся в виде волн ("окинг 1990: 65-66).

Между электрически заряженными частицами (электроны, кварки, ионы) действуют

электромагнитные силы. Электромагнитные взаимодействия намного сильнее

гравитационных и проявляются как притяжение (разные заряды) или отталкивание

(одинаковые заряды). Если количество положительных и отрицательных зарядов

одинаково, то они компенсируют друг друга. Электромагнитное притяжение есть

результат обмена виртуальных частиц со спином 1, которые называются фотонами

("окинг 1990: 66-67).

Третий тип взаимодействия называется слабым взаимодействием (сильнее

гравитации, слабее электромагнитного и ядерного взаимодействий). Слабое

взаимодействие прекращается на расстоянии большем 10 " см от источника и не

влияет на макроскопические объекты, действуя между всеми субатомными

частицами. Физики долго не понимали, откуда берутся из ядер атомов частицы,

которых там нет (из нейтрона - протон, электрон и нейтрино)? Превращение

одних частиц в другие - главное проявление этого взаимодействия. При взрывах

и коллапсах звёзд испускается огромное количество нейтрино.

Слабовзаимодействующие нейтрино тем не менее разрывают наружные слои звезды и

образуются клочья облаков расширяющегося газа. Слабое взаимодействие

проявляется при испускании некоторыми атомами ядер гелия и электронов

(радиоактивность) (А. Беккерель, Э. Резерфорд).

В 1967 году А. Салам и С. Вайнберг предложили объединить электромагнитное и

слабое взаимодействия: кроме фотона существуют ещё три частицы со спином 1,

так называемые тяжёлые векторные бозоны (%+, %- и "~), которые и переносят

слабое взаимодействие. В основе гипотезы Вайнберга-Салама лежала идея о

спонтанном нарушении симметрии; частицы,

разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной частицей в

разных состояниях. Гипотеза предсказывала, что при высоких энергиях фотоны и

бозоны ведут себя одинаково, а при низких энергиях в обычных ситуациях эта

симметрия нарушается. Через десять лет их гипотеза подтвердилась

экспериментально, физикам была присуждена Нобелевская премия (Ва$Ыберг 1981:

133, Дэвис 1989: 128-136, "окинг 1990: 67-68).

Сильное ядерное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, протоны и

нейтроны внутри атомного ядра, действует на расстоянии не больше 10 'м см.

Переносчиком ядерных сил считается ещё одна частица со спином 1, которая

называется глюон (англ. клей). Сильное взаимодействие обладает свойством

ограничения, удерживания в связном состоянии: кварки не могут существовать

сами по себе, так как 99% энергии-массы кварка - это энергия связи. Сильное

взаимодействие является источником огромной энергии, например энергии Солнца,

энергии водородной бомбы. На мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное

взаимодействие ослабевает и кварки, глюоны ведут себя почти как свободные

частицы. При столкновениях протона и антипротона высокой энергии рождаются

кварки, "струи" треков которых можно наблюдать ("окинг 1990: 68-69).

4.6. Концепции самоорганизации в физике В физике второй половины ""-ого века

утверждается понимание сложности микромира, Вселенной. Изменяется и

представление о Вселенной существующего - существующего без возникающего нет

(Пригожин 1985). В рамках классической термодинамики известно много примеров

эволюции систем различной природы к единственному состоянию равновесия,

однообразия, однородности (необратимый обмен теплом и выравнивание

температур, необратимое расширение газа, диффузия дымового облака,

расплывание капли чернил в воде, движение по инерции и остановка, равномерное

распределение молекул). Закон возрастания энтропии (меры степени беспорядка)

утверждает, что в замкнутой системе энтропия всегда возрастает до своего

максимального значения ("акен 1980: гл. 1).

Но если воздействовать на систему извне, можно изменить степень её

упорядоченности. Г. "акен приводит примеры самоорганизации при фазовых

переходах, в которых обнаруживается удивительное сходство: с понижением

температуры вода переходит от состояния хаоса (пар) к порядку (кащи,

кристалл), нагревание и охлаждение магнита и сверхпроводников влияет на

упорядочивание магнитных моментов, когерентное поведение атомов лазера. Лазер

- стержень, в который внедрены атомы определённого типа, каждый атом

возбуждается действием из вне (освещение). После этого атом действует как

антенна, испуская волны света. Когда в лазер накачивается энергия, при малых

мощностях накачки лазер работает как лампа, атомы излучают независимо друг от

друга, хаотично. Но, при определённом значении мощности накачки, за порогом,

возникает новое явление: похоже, что некий демон заставляет атомы испускать

один гигантский свет (цуг) длина которого до 300 000 км! Что заставляет

подсистемы (атомы) вести себя так организованно? Какие механизмы и принципы

способны объяснить самоорганизацию атомов (антенн)? Если дальше накачивать

лазер, снова внезапно происходит новое явление: стержень регулярно испускает

световые вспышки очень короткой длительности. Известно множество других

примеров самоорганизации неживой материи (упорядоченное макроскопическое

движение в жидкости при определённом градиенте температур - образование

цилиндрических или гексагональных ячеек, крупномасштабные вихри в атмосфере

Юпитера, рисунки янтаря, мир кристаллов, вихри Тейлора, самоорганизация

неорганических химических систем) ("акен 1980: гл. 1).

В 1973 году профессор »тутгартского университета Г. "акен (р. 1927) для

объяснения кооперативности, когерентности действия большого числа объектов,

участвующих в самоорганизации, вводит термин синергетика (от греч. вупегде1а

- совместное, кооперативное действие). Синергетика как междисциплинарное

направление в науке исследует поведение сложных систем, выявляет общие законы

самоорганизации. Основной вопрос синергетики: существуют ли общие принципы,

управляющие возникновением самоорганизующикся структур и функций? Г. "акен

рассматривает примеры самоорганизации не только из физики и химии, но и

примеры из биологии, теории вычислительных систем, экономики, экологии,

социологии. Во всех случаях система состоит из очень большого числа

подсистем. При определённых условиях в системе образуются качественно новые

структуры. Система переходит из однородного, недифференцированого состояния в

неоднородное, но упорядоченное состояние ("акен 1985: гл. 1).

Бельгийский физико-химик русского происхождения И. Р. Пригожин (р. 1917)

подвёл под явления самоорганизации теоретическую базу (понятия и модель

перехода от хаоса к порядку). Коренной переворот во взглядах на необратимые

процессы произошёл лишь недавно, и мы начали понимать конструктивную роль

необратимых процессов в физическом мире (Пригожин 1985: 93). Центральное

понятие теории И. Р. Пригожина - понятие диссипативной системы (диссипация -

рассеяние вещества и энергии). Диссипативные системы отличаются открытостью,

неравновесностью и нелинейностью. Существование таких систем поддерживается

постоянным обменом веществом и энергией со средой, при прекращении обмена

диссипативные системы разрушаются. Открытость системы является условием

самоорганизации. В открытых системах неравновесие может порождать порядок.

"аос и порядок связаны и это главное изменение, которое происходит в нашем

восприятии Универсума. Каждая, диссипативная система имеет свои управляющие

параметры. Каждый параметр имеет своё критическое, пороговое значение, при

достижении которого в эволюции системы происходит скачок в другую сеть мер.

Точка разветвления эволюции называется точкой бифуркации (от англ. Гочс -

вилка). Бифуркация определяет спектр возможных альтернатив, путей развития

(тезаурус для отбора). В точке бифуркации, точке неустойчивости, точке

разветвления эволюционной линии, существует несколько (как минимум два) путей

развития сложных систем. Между точками бифуркации в системах вьпюлняются

детерминистические законы, но в точках бифуркации существенную роль играют

большие, случайные флуктуации. Выбор - движение к разрушению или к усложнению

- зависит от аттрактора (от лат. айгаЬеге - притягивать, то, что определяет

цель эволюции), например, в закрытой системе притяжение к тепловому

равновесию (аттрактору), в открыгой - при определённых условиях возможен

переход к новому уровню упорядоченности (Пригожин 1985, Пригожин, Стенгерс

1986, 1990, 1994, Князева, Курдюмов 1994).

Синергетика раскрывает общие механизмы усложнения: электроны и атомы, фотоны

и молекулы, лазеры и жидкости, самоорганизуясь, подчиняются единым принципам

(флуктуации открьггой системы до порога, точки бифуркации и переход к новому,

более сложному порядку). Необратимость времени может рассматриватся как

конструктивный процесс, разрушился миф о внеприродном факторе эволюции. Но

синергетика Г. "акена и неравновесная термодинамика И. Р. Пригожина следуют

нормативам физикалистического мышления. Причины эволюции сводятся к

механизмам вещественного структурообразования, без внимания в эволюции

остаются отражение мира, психика, ингеллект? (Назаретян 1991: 24-25).

4.7. Проблемы современной физики

Самая сложная проблема современной физики - объединение частных теорий,

например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория

гравитации не входит в теорию трёх взаимодействий, в химии не учитывают

строение ядра атома. Проблема объединения есть проблема достижения высоких

энергий, так как при высоких энергиях частицы перестают отличаться. До 30-х

годов считали, что существуют два типа сил на макро-уровне - гравитационные и

электромагнитные, но открыли слабое и сильное-ядерное взаимодействия. Был

открьгг мир внутри протона и нейтрона, но этот порог энергий выше, чем в

центре звёзд. Будут ли открыты ещё более элеметарные частицы, чем кварки и

электроны?

До 1984 года большинство учёных верили в теорию суперсимметрии

(супергравитации, суперсилы). Суть её в том, что все частицы (частицы

вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) - разные виды одной

"суперчастицы". Эта "суперчастица" или суперсила с понижением энергии

предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия,

как электромагнитная и гравитационная силы (Дэвис 1989, "окинг 1990: 134). Но

сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории

(нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере

заняла бы более четырёх лет ("окинг 1990: 134, Налимов 1993: 16).

В математических моделях теории супергравитации возникает и проблема

бесконечностей. В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются

бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы - старые философские

вопросы: конечен или бесконечен мир в пространстве и времени? Вселенная

взорвалась из сингулярности планковских размеров, куда она расширялась и

расширяется? В 80-х годах становится популярной струнная теория. Микрочастицы

это не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и

открытостью. Частицы - волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке.

Испускание частицы - соединение, поглощение частицы-переносчика -

разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне

("окинг 1990: 134-137).

В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема

многомерности пространства-времени, например, электрон - это малая

вибрирующая струна планковской длины в шестимерном и даже в 27-мерном

пространстве. Если есть иные меры, то почему развернулись только 3-

пространственые и одна временная меры? Существуют ли параллельные Вселенные,

неодномерные нам? Наконец могут ли существовать иные неодномерные для нас

формы разума?

Проблема наблюдателя, возрождение идей панпсихизма, невозможность разделить

субъект и объект в квантовой механике, антропный принцип в космологии,

гипотезы о слабых формах сознания и космическом сознании, всё это

свидетельствует, что и философская проблема сознание-материя становится

серьёзной проблемой физики, ускользая из рук философов (Налимов 1993: 36-37,

61-64). Физики пьггаются включить сознание в картину физического мира. В

книге П. Дэвиса и Дж. Брауна "Дух в атоме" говорится о роли процесса

измерения в квантовой механике. Наблюдение мгновенно изменяет состояние

квантовой системы. Изменение ментального состояния экспериментатора вступает

в обратную связь с лабораторной аппаратурой и, следовательно, с квантовой

системой, изменяя её состояние (цит. по Налимов 1993: 41-42). Включённость

сознания в общую связь всего сущего предполагает и бутстрэпная теория. Эта

теория отрицает фундаментальные сущности ("кирпичики" материи, константы,

законы, уравнения), Вселенная понимается как динамическая сеть

взаимосвязанных событий.

В квантовой теории возникает проблема создания языка, наши обычные понятия не

могут бьггь применены к строению атома. Математические схемы более однозначно

отражают эксперимент (Гейзенберг 1989: 104-117).

Современная физическая картина мира принципиально не завершена. Но самое

трудное в науке то, что нет никаких успехов включения человека в единую

теорию. После Ньютона и Энштейна у нас нет чегкой формулы мира. Какую роль в

мире, который находится в процессе строительства, играют люди? Предопределено

ли будущее и можем ли мы играть какую-то роль в формировании мира, если мы

часть природы (И. Р. Пригожин)? Возникает потребность в универсальной теории

коэволюции человека и природы.

4.8.История космологических представлений В конце "" в. стало ясно, что

Вселенная является системой, эволюционирующей от планковских размеров (10"

см.) до масштабов 10~' см. или даже больше. Эволюцию Вселенной и изучает

космология. История развития космологических представлений включает три

этапа: от древнегреческих моделей Космоса до гелиоцентрической модели Н.

Коперника, от работ И Кеплера, Г. Галилея, стационарной, механистической

картины мира И. Ньютона и статичной, сферичной, конечной Вселенной А.

Эйнпггейна до расширяющейся модели Вселенной А. А. Фридмана (1922 г.) и

предсказания реликтового излучения Г. Гамовым, от теории Большого взрыва до

современных инфляционных моделей (Павленко 1997).

Древнегреческая парадигма Космоса характеризуется (греч. гармония, порядок,

красота): гармонией через число (Пифагор), одушевлённостью и подобием живому

организму, вечностью (по Гераклиту мир всегда есть, был и будет вечно живым

огнём), центризмом (неподвижная Земля в центре у Птолемея, Платона и

Аристотеля, у Пифагора в центре - огонь, у Аристарха - Солнце) и

бесконечностью (Демокрит).

Нововременная парадигма Вселенной: Н. Коперник (Солнце - центр мира,

Вселенная - гармония и разумный порядок, движение небесных тел - вечное и

круговое), И. Кеплер (планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца), Дж. Бруно

(нет центров, небо - безмерное пространство с бесчисленными мирами), Г.

Галилей впервые увидел в телескоп миллиарды звёзд, вращение солнечных пятен,

кольца Сатурна, спугники Юпи ра, И. Ньютон (Вселенная создана Богом по

неизменным законам, число звёзд бесконечно и они равномерно распределены по

бесконечному пространству, нет центральной точки, куда бы могли упасть звёзды

под действием сил гравитации) (Дэвис 1989: 205).

А. Эйншгейн, под сильным влиянием Ньютона, сохранил стационарность Вселенной

в работе "Вопросы космологии и общая теория относительности", 1917г., введя в

уравнения силу отталкивания - лямбда-постоянную (в противовес силам

притяжения Ньютона) и очень сожалел, когда под напором открытий в космологии

теория стационарной Вселенной разрушилась. В 1922 году русский математик А.

А. Фридман (1888-1925) в работе "О кривизне пространства" впервые выдвигает

гипотезу расширяющейся Вселенной и в науке появляются проблемы сингулярности

(точка с бесконечной плотностью, откуда рождается Вселенная), начала и

будущего Вселенной (вечное расширение или коллапс). В 1929 году американский

астроном Э. "аббл (1899-1953), составляя каталоги расстояний до галактик и

изучая их спектры, установил смещение линий в спектрах галактик в направлении

к "красному" краю ("красное смещение", проявление "эффекта Доплера").

Открытие "красного смещения" в спектрах галактик Э. "аббла экспериментально

подтвердило расширение Вселенной. Величина "красного смещения" прямо

пропорциональна расстоянию от нас, следовательно, чем дальше находится

галактика, тем быстрее она удаляется. В 1947 году американский физик,

уроженец России, ученик А. Фридмана Г. Гамов (1904-1968) предсказал: ранняя

Вселенная была очень плотной, горячей и раскалённой добела, а поскольку

температура связана со звуком, от "начального взрыва" должно остаться

реликтовое излучение. Экспериментально обнаружить реликтовый фон

микроволнового радиоизлучения из космоса удалось в 1965 году (А. Пензиас, Р.

Вилсон), что означало не только расширение, но и остывание Вселенной. В 1970

году Р. Пенроуз и С. "окинг, исследуя так называемые чёрные дыры

(коллапсирующие в сингулярность звёздя), доказали существование

сингулярности, "дофизической" формы материи в модели Большого взрыва ("окинг

1990: 75-89).

С конца 70-х разрабатывается перспективное направлен,ие в космологии,

реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума,

инфляционная модель Вселенной (С. "окинг, А. Д. Линде, П. Дэвис): эволюция

Вселенной приводит к возникновению многих областей, где действует инфляция

(расширение). В одних областях расширение уменьшается, в других - квантовая

флуктуация влечег за собой рост инфляции, быстрое расширение Вселенной. Мы

живём в одной из "долин", где пространство больше не "инфлирует" (Павленко

1997: 183).

4. 9 Космическая эволюция ' Исследованию ранней Вселенной помогают

эксперименты с помощью гигантских ускорителей элементарных частиц, где

достигают таких энергий, которые были в ранней горячей Вселенной. Данные

физики элементарных частиц теоретически экстраполируют в прошлое и строят

модели космической эволюции (Вайнберг 1981: 12-15, Силк 1982: 102-146, Гут,

Стейнхардт 1984: 56-59, Дэвис 1985: 41-51, 1989: 186-225, "окинг 1990: 103-

106, Леще 1990, Новиков 1991). На современных ускорителях элементарных частиц

удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия,

существовавшие в столь ранние моменты времени, как 10 'и с после Большого

взрыва, когда температура достигала 10мК, а Вселенная была размером с

Солнечную систему. Это предел энергии, дос~игнутый в настоящее время в

физике. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория (Дэвис

1985; 44, 1989: 192).

Уровень элементарности (макромолекулы и кристаллы, молекулы и атомы, ядра и

нуклоны, кварки и лепгоны) зависит от уровня энергии. Квантовый характер

системы ограничен, порог возбуждения зависит от характера системы, он всегда

тем выше, чем меньше пространственные размеры системы. Требуется очень малая

энергия, чтобы изменить кванговое состояние большой молекулы, больше энергии

необходимо для изменения атома и в тысячу раз больше для изменения атомного

ядра. Эгу последовательность условий В. Вайскопф назвал квантовой лестницей.

Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом

(Вайскопф 1977: 42).

Наивысшая ступень - газ из протонов, нейтронов и электронов при исключигельно

высокой температуре, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов

электроновольт. Проблема существования "последней" ступеньки квантовой

лестницы не решена (Вайскопф 1977: 52, "окинг 1990: 141-142): возможно,

природа неисчерпаема, но может быть это и не так (В. Вайскопф), гравитация

может, по-видимому, наложить ограничение на последовательность вложенных одна

в другую "матрёшек" (С. "окинг). Движение протонов, нейтронов и электронов

носит случайный, хаотический характер. При более низкой температуре меньше

миллиона электронвольт, адроны группируются и образуют атомные ядра. Десятки

ядер и изотопов представляют собой определённые индивидуальные состояния, но

движение ядер и электронов всё ещё случайно и неупорядоченно. При ещё более

низкой температуре (как на поверхности Солнца) электроны попадают в

упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер -

появляется разнообразный мир химических элементов (атомов). На уровне тысяч

градусов Цельсия атомы образуют простые молекулы, ещё более разнообразный мир

неорганических химических систем. Дальнейший спуск по лестнице приводит нас в

энергетическую область, где молекулы группируются в гигантские цепеобразные

Страницы: 1, 2, 3, 4