Учебное пособие Ростов-на-Дону (075. 8) Ббк 20я73 ктк 100




Сторінка14/36
Дата конвертації18.04.2016
Розмір6.45 Mb.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   36

5.2. Принципы относительности движения —

классический, релятивистский

и к средствам наблюдения

Важнейший атрибут материи, способ ее существования движение. В самом общем виде движение «...это изменение вообще» (так утверждал немецкий философ Карл Маркс), любое взаимодействие материальных объектов. Здесь не следует подразумевать под термином «взаимодействие» только конкретные фундаментальные физические взаимодействия, о которых говорилось в предыдущих главах, а мыслить понятие взаимодействия шире, мыслить как философскую категорию, отражающую процессы воздействия объектов друг на друга и их взаимную обусловленность, порождение одним объектом другого. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы.

Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности, так что уместно отметить слова Аристотеля: «Незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы». Известное издревле механическое движение (перемещение) сужало и философское понимание движения до рамок механического, пока великий немецкий философ Георг Гегель не сформулировал наиболее

190


общие законы изменения (движения) — закон перехода количественных изменений в качественные, закон борьбы противоположностей и закон отрицания отрицания.

Движение как понятие противоречиво по своей сути (вспомните хотя бы апории Зенона о движении), поскольку оно заключается в неразрывном единстве противоположных аспектов — изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютного и относительного, перемещения и покоя. В противоречивом единстве изменчивости и устойчивости, например, ведущую роль играет изменчивость, ибо все новое появляется через нее, а устойчивость, покой лишь фиксирует достигнутое в этом процессе. Движение как физическое явление происходит в пространстве и времени. Определив впервые в «Математических началах» эти понятия, а также объекты исследования, Ньютон далее определяет состояние физических объектов (тел) и законы движения. Введенная Ньютоном процедура создания (разработки) теории (описанная нами в 3.3) оказалась универсальной в науках: сначала определяются объекты как физические или другие естественнонаучные понятия в пространстве и времени, затем вводятся их состояния и, наконец, задаются или выводятся законы эволюции (изменения, динамики) этих состояний в указанном пространстве и времени.

Для науки оказалось важно, что уже первый ньютонов закон движения — закон инерции, выведенный из экспериментов еще Галилео Галилеем, выражен в явно относительной форме (хотя это первоначально не осознавалось и не проверялось). Состояния покоя и прямолинейного равномерного движения оказываются равноправными в зависимости от состояния движения тела (тела отсчета), с которого производится наблюдение. Так в физике возник классический, или галилеев (по предложе-

191


нию Пуанкаре), принцип относительности, первый в ряду принципов относительности. Сам принцип неосознанно появился в XVIII веке, а сформулирован был в начале XX века Анри Пуакаре!

Расширение понятия относительности возникло в связи с открытием электромагнитного поля (оно же свет), главной парадоксальной особенностью которого оказывается экспериментально подтвержденное распространение с постоянной скоростью (последняя, т. е. скорость света в пустоте, является также предельно возможной из всех известных скоростей). Совместное истолкование классического принципа относительности и принципа постоянства скорости света (отмечалось в предыдущем пункте как заслуга Германа Минковского, введшего в науку представление о четырехмерном пространстве — времени, о четырехмерном мире) — это и есть новый релятивистский принцип относительности. Основным понятием такого истолкования принципа относительности становится понятие мирового события, которое характеризуется местом (где) и временем (когда) оно происходит.

Анализируя ситуацию с релятивистским принципом относительности, академик Логунов сформулировал обобщенный принцип относительности, который приведен ниже.

«Какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), всегда можно указать бесконечную совокупность других систем отсчета, таких, что все физические явления в них протекают одинаковым образом с исходной системой отсчета, так как мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить на эксперименте, в какой именно системе отсчета, из этой бесконечной совокупности, мы находимся. Следует особо подчеркнуть, что любой физический про-

192

цесс позволяет определить, находимся мы в инерциаль-ной или в неинерциальной системе отсчета. Однако никакой физический эксперимент не в силах дать ответ на вопрос: в какой именно системе из бесконечного набора систем отсчета мы находимся».



Третий принцип относительности возник в квантовой физике в связи с особенностями движения микрообъектов и упоминался нами ранее как принцип относительности к средствам наблюдения. Формулировка этого принципа, как и возникновение квантовой физики и ее представлений, послужили развитию нового этапа в науке — этапа неклассической науки, главный смысл которой состоит в неконтролируемом влиянии человека на результаты эксперимента, в потере прежней достоверной (лапласовской, детерминистской) предсказательности науки и замене ее на вероятностное предсказание.

5.3. Концепции корпускулярности,

континуальности и корпускулярно-волнового

дуализма

В классической физике, являющейся, по существу, макрофизикой, формирование которой завершилось к началу XX века, научная картина мира сложилась из двух элементов (объектов) частиц (корпускул) и полей (континуума). Частицы понимались как маленькие объекты материи, движущиеся по законам Ньютона. Каждая из частиц имеет 3 степени свободы (координаты), поскольку движение происходит в трехмерном евклидовом пространстве, и, если, кроме того, известна зависимость координат (местоположение) их от времени, то это однозначно определяет траекторию, так что имеется исчерпывающая (полная) информация о движении частицы. Опи-



1ЭЗ

сание полей (непрерывного континуального распределения какой-либо физической величины) значительно сложнее, поскольку надо задавать значения физической величины во всех точках пространства. Таким образом, для описания поля необходимо знать уже не 3 (как для материальной точки), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле (континуум) имеет бесконечное число степеней свободы. По этой причине значительно сложнее выглядят законы и уравнения полей, установленные Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом.

Указанное различие между частицами и полями: частицы — дискретны, поля — непрерывны, в классическом варианте науки оказывается не единственным. Так оказалось, что электромагнитное поле (оно же свет), представленное набором (пакетом) волн, может порождаться и поглощаться, в то время как материальным телам (представленным набором точек) возникновение и уничтожение чуждо. Помимо того, волны, накладываясь друг на друга, могут усилить, ослабить или вообще погасить себя, тогда как с потоками частиц такового не происходит. Встречаясь же между собой, частицы и волны остаются независимыми друг от друга, проявляют во все моменты времени свои, только им присущие индивидуальные черты.

Но положение об абсолютном их различии существенно изменилось, когда была высказана гипотеза Макса Планка о порции, кванте (как это было названо по-немецки) излучения. Вскоре эта гипотеза была обобщена Эйнштейном на акт поглощения, который дискретность излучения и поглощения связал с внутренними свойствами актов излучения и поглощения. В каждом из этих актов участвует квант поля особая «частица», названная фотоном. Таким образом, полю оказались присущи

194


черты дискретности, которые ранее приписывались лишь частицам. Подобно частице (корпускуле), фотон всегда существует как единое целое. Однако, наряду с корпускулярными, фотон обладает также более «родными», волновыми свойствами. Вот такое двуединое (дуальное), корпускулярно-волновое представление (корпускулярно-волновой дуализм) о кванте электромагнитного поля -фотоне — было распространено Луи де Бройлем на все виды материи и, в первую очередь, конечно, на электрон, главную частицу любого атома.

Все выше приведенные гипотезы получили экспериментальное подтверждение и породили то, что впоследствии стало называться (и сейчас называется) корпуску-лярно-волновым дуализмом, но главное — новую науку о законах движения и способах описания этого движения объектов микромира — квантовую (или волновую) механику. Важнейшей ее чертой, ее главной особенностью является идея вероятностного описания движения микрообъектов, то есть тех объектов, из которых состоят атомы и ядра атомов, в первую очередь, фотоны, электроны, протоны и нейтроны (за пределами атомов находится мир элементарных частиц, которому присущи свои специфические особенности). Особенность и специфичность описания движения микрообъектов такова, что позволяет знать (математически определить) вероятность обнаружения их в любой точке бесконечного пространства в любой момент времени. Это допускает возможность говорить как бы и о «точечности» микрообъектов, хотя о траекториях их в прежнем классическом смысле рассуждать уже нельзя.

Таким образом, проявившаяся в опытах дуальность свойств микрообъектов находит отражение в вероятностном способе квантово-механического описания, устраняющем резкую границу, разделявшую в классической

195


теории два ее объекта — поля и частицы. Это вероятностное описание продиктовано корпускулярно-волновой природой микрообъектов, и его правильность проверена на огромном числе экспериментов. Кстати, великий Эйнштейн эту трактовку не принимал, говоря: «Бог не играет в кости», но вот ошибался ли гений или был прав, сейчас пока трудно сказать, но физики теперь предпочитают говорить так: «Бог играет в кости, но никогда не проигрывает!» По существу, это красивая отговорка, не более.

5.4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения

Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность) — одна из самых важных распространенных характеристик природы. В искусстве симметрия выступает как признак гармоничной композиции, в математике характеризуется как отражение (зеркальное), как свойство геометрических фигур, как инвариантность (неизменность) структуры объекта относительно его преобразований. Понятие симметрии выходит далеко за рамки физико-математического знания и, будучи органически связано с представлениями о сходстве, повторяемости, порядке, ритме, цикле, форме и т. п., восходит к самым истокам человеческой культуры.

Создание понятий «симметрия» и «асимметрия» приписывается современнику Пифагора — Гиппасу (VI век до н. э.). Пифагореец Гиппас термин «симметрия» — соразмерность, употреблял как синоним «порядка», «упорядоченности». Идеи симметрии и числовой гармонии были характерны не только для пифагорейцев и Платона, но содержались в концепции периодического возникновения и уничтожения космоса как у Анаксимандра и Анаксиме-

196

на, так и в индийских ведах, в учении Анаксагора об уме как принципе красоты и порядка. Атомистика Левкиппа, Демократа и Эпикура с ее концепцией о пустоте — прообразе трехмерного бесконечного однородного и изотропного пространства — и геометричности атомов и амеров также существенно опиралась на идеи симметрии.



Другой, столь же фундаментальной идеей, характерной для античности, была идея сохранения свойств и объектов материального мира! Известно, что разнообразные натурфилософские учения, связанные с признанием той или иной материальной первоосновы мира, явно или неявно, содержали в себе идею сохранения материи. Более того, уже в античности была осознана глубокая взаимосвязь между понятиями симметрии и сохранения, причем именно в той форме, которую можно считать прообразом современного понимания этой взаимосвязи, связывающей законы сохранения со свойствами симметрии физических систем. В интересующем нас вопросе эта гениальная догадка была доказана выдающейся женщиной-математиком, немкой Эмми Нетер, только в 1918 году, то есть более чем через 2000 лет после ее появления! Теорема Нетер сыграла революционное значение в науке, поскольку в этот момент завершилось 300-летие господства динамического подхода в физических теориях, и к нему добавились, а точнее, ему (динамическому подходу) на смену пришли принципы» связанные с симметриями и законами сохранения в структуре физических теорий тех или иных величин. В этом единстве принципов (а сама теорема Нетер играет роль принципа структурной организации физических теорий, физических систем) главенствующая роль принадлежит симметрии, которая, с одной точки зрения, в значительной мере определяет форму динамического закона, а с другой, и в этом суть теоремы Нетер, опреде-

197


ляет число и тип сохраняющихся величин. Исторический путь развития физики в XX веке подтвердил исключительную правильность отмеченных принципов.

В качестве примеров приведем несколько видов симметрии и соответствующих им законов сохранения. Фундаментальным видам пространственно-временной (геометрической) симметрии уравнений движения (ньютоновых, эйнштейновых, шредингеровых и дираковых), оставляющим в каждом случае инвариантной (неизменной) форму самих уравнений, соответствуют фундаментальные, наиболее известные законы сохранения величин в физических системах:



  1. Симметрия по отношению к переносам во времени (сдвигам моментов времени) порождает закон сохранения энергии (проявление однородности времени).

  2. Симметрия по отношению к переносам в пространстве (трансляциям, сдвигам начала координат из одной точки в другую) порождает закон сохранения импульса (проявление однородности пространства).

  3. Симметрия по отношению к поворотам или вращениям в пространстве порождает закон сохранения момента импульса (проявление изотропности пространства).

Но имеется и другой класс симметрий, симметрий ограниченного действия. Классическая физика, обладая симметрией по отношению обращения знака времени или обратимости времени, фактически делает ее независимой от времени, что, конечно, парадоксально. Это позволило одному из историков науки, французу Александру Койре, назвать движение в классической динамике «движением, не связанным со временем, или, что еще более странно, движением, происходящим во вневременном времени — понятием столь же парадоксальным, как изменение без изменения» (курсив наш. — Авт.). Данная симметрия дей-

ствует только в макромире, а вот в микромире уже нет. Зеркальная симметрия действует в микромире (тождество левого и правого) и порождает сохранение некоторого особого свойства, получившего название четность, которая приписывается каждой микрообъекту, например, так же, как электрический заряд. Если там же, в микромире, осуществить операцию так называемого зарядового сопряжения (то есть мысленно мир электронов заменить на мир позитронов, мир частиц — на мир античастиц), то это тоже не изменит законов природы. Два последних вида симметрии — зеркальное и зарядовое сопряжение — нарушаются при слабых взаимодействиях, обуславливающих распад большинства микрообъектов (например, нейтрона, покинувшего ядро атома).

Ограниченность проявления симметрий связана с иерархией симметрий. Не анализируя всей сложности возникающих ситуаций, только укажем некоторые из них: при взаимопревращениях микрообъектов сохраняется электрический заряд; при сильных взаимодействиях сохраняется величина, получившая название для барионов (тяжелых частиц) барионный заряд, сами барионы, за исключением сверхстабильного протона, рождаются парами; подобный закон сохранения действует и для лептонов (легких частиц); в ядрах атомов нейтрон и протон оказываются неразличимыми (но только в ядрах), то есть являются как бы одной частицей — нуклоном, эта симметрия имеет особое название — изотопическая инвариантность. Число примеров можно было бы множить, тем более, что вся вторая половина XX века прошла в теоретической физике под знаком господства так называемой калибровочной инвариантности как особого вида симметрии, которым обладает как электромагнитное поле, так и все другие физические поля микромира.

199


Суть калибровочной инвариантности состоит в том, что взаимодействующие тем или иным образом (электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым) частицы переносят это взаимодействие посредством некоторого, в каждом конкретном случае своего, особого поля. Эта особенность взаимодействия оказалась всеобщей и универсальной. В конечном итоге, поиски все новых симметрий «подарили», как мы отмечали, самые «элементарные» из всех частиц — кварки, что послужило основанием появления новой физики микромира, основанной исключительно на симметриях квантовой хромодинамики.

5.5. Концепции физического вакуума

Обсудим, прежде всего, геометрический аспект проблемы. Мысль о том, что великая пустота (или вакуум) есть источник окружающего нас мира, уходит вглубь веков. Согласно представлениям древних мыслителей Востока (Китая, Индии), все материальные объекты возникают из пустоты, являются ее частью и, в этом смысле, иллюзорны. Вот диалог ученика и учителя о великой пустоте в древнеиндийских «Ведах»: «Ученик спрашивает: — Каков источник этого мира? Пространство, — ответил учитель. — Поистине все эти существа выходят из пространства и возвращаются в пространство, ибо пространство больше их, пространство последнее их прибежище». Важное место в натурфилософии древних греков занимало также понятие пустоты, без которой не могло мыслиться движение, но не как источник мира, как в древнеиндийских «Ведах».

Еще до наступления Нового времени итальянский философ Ф. Патрицци писал: «Итак, пространство есть

200


то, что прежде мира и будет после него, что стоит во главе мира, из него исходит и, наконец, обращается в нечто... Разве оно тогда не является субстанцией? Если субстанция то, что лежит в основе, то пространство и есть, скорее всего, сущность».

Мы знаем, изучили ранее, что в классической физике используется понятие абсолютно пустого пространства («вместилища вещей»), которое можно считать синонимом вакуума классической нерелятивистской физики (то есть физики при скоростях объектов, много меньше скорости света). Физика, начало которой положила механика Ньютона, развивалась как теория измерения расстояний и моментов времени объектов (тел), движущихся относительно других материальных объектов (тел.). Полученные в результате измерений множества координат и времени подвергались обработке, чтобы получить траекторию и уравнения движения. Эта связь между геометрией пространства событий и механикой тел была уже замечена Ньютоном, который писал: «Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения». Таким образом, мы видим, что представления о пространстве и времени с XVII века связываются с экспериментальной проверкой, так же как и интересующее нас здесь понятие вакуума, в отличие от древних мыслителей, не проверявших своих воззрений. Так же, как и евклидова геометрия механики Ньютона, геометрия искривленных пространств, созданная Лобачевским, Гауссом и Больяи (гиперболическая) и Риманом (эллиптическая), в основе своей содержат физический опыт измерений.

В статье «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» Риман отмечал: «...Предложения геометрии не выво-

201


дятся из общих свойств протяженных величин, напротив, те свойства, которые выделяют пространство из других мыслимых, трижды протяженных величин, могут быть почерпнуты не иначе, как из опыта» (и это пишет не физик, а математик!).

Еще большее сближение представлений восточных и европейских ученых мы находим в точке зрения на природу материи английского математика Уильяма Клиффорда, который в философской статье «О пространственной теории материи» прямо говорил, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося (возможно) закону непрерывности». По Клиффорду, материя — это сгустки пространства, своеобразные, холмы кривизны на фоне плоского пространства.

Идеи Клиффорда нашли свое развитие в работах Эйнштейна, которому удалось представить гравитационное поле через кривизну пространства-времени. Пустое, но искривленное пространство позволяет получить решения, которые подтверждаются на опыте. Среди них — эффекты смещения перигелия Меркурия, отклонение луча света в гравитационном поле Солнца, запаздывание радиосигналов в гравитационном поле. Эйнштейн безоговорочно верил в правильность выбранного пути: «Я считаю, далее, что уравнения гравитации для пустого пространства представляют собой единственный рациональный обоснованный случай теории поля, который может претендовать на строгость».

Рассмотрим теперь другой «полевой» аспект физического вакуума, то есть путь, когда вакуумные представления уходят в квантово-полевую область материи или в мир элементарных частиц (микромир). Вакуум это состояние, в котором реально отсутствуют какие-

202

либо частицы, поля, волны, каком-либо материя (это тривиальное, классическое, обыденное представление о вакууме). В обычных условиях такое состояние обладает минимально возможной энергией. Реализацией такого представления о вакууме является пустое пространство, хотя, на первый взгляд, это бесперспективно. Новое, релятивистское представление о физическом вакууме получил английский физик Поль Дирак, когда рассмотрел поведение электрона в пространстве-времени Эйнштейна — Минковского. Он открыл в результате реальный мир античастиц, который является особым состоянием физического вакуума, ранее считавшегося лишенным какой-либо материи. Поразительным оказалось то, что квантовая физика преподносит «трюки» даже в отсутствии квантовых частиц.

Источник таких «трюков» принцип неопределенности Гейзенберга. В какие-то очень малые, не фиксируемые приборами промежутки времени, энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все родившиеся частицы будут короткоживущими, так как израсходованная на них энергия должна быть «возвращена» через ничтожную долю времени. Тем не менее, частицы могут возникнуть из «ничего» (вот это и называют «вакуумом» современной физики), обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную картину невозможно предотвратить. Как бы мы не старались опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой частиц, возникновение которых «субсидируется» соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность «виртуальных частиц», аналогичных переносчикам вза-

203


имодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова возвращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками. Вот, например, российский ученый Дмитрий Блохинцев писал: «Согласно этой точке зрения (детерминистическому подходу. — Авт.)» частицы являются лишь возбуждениями вакуума, который продолжает жить и тогда, когда никаких частиц нет; в нем флуктуирует электромагнитное поле... Это не покой, а вечное движение, подобно зыби на поверхности моря... С этой точки зрения ясно также, что никаких изолированных, предоставленных самим себе («свободных», как говорят) частиц не существует. Даже в случае значительного удаления частиц друг от друга, они все же продолжают принадлежать породившей их среде, находящейся в состоянии непрерывного движения». Этим эффектом постоянного движения объясняются некоторые особенности поведения электрона в атоме водорода. Существуют и другие проявления этого удивительного свойства физического вакуума, в том числе, реальное рождение электрон-позитронных пар, зарегистрированное на экспериментах.

Еще разнообразнее возможные свойства вакуумного состояния полей при учете слабых, сильных и гравитационных полей. Укажем лишь, что эти свойства непосредственно связаны с такими представлениями современной теоретической физики, как спонтанное нарушение симметрии, асимптотическая свобода (для кварков), «пенная» структуры пространства-времени на малых (план-ковских) расстояниях (предполагаемая в мгновения до начала «большого взрыва»), испарение гравитационных «черных» дыр и др.

204

1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   36


База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка