Физическая картина мира

Лекция 4. Формирование и развитие физической картины мира.

1. Натурфилософская картина мира. Механистическая картина мира.

2. Классическая физика.

3. Термодинамика.

4. Электродинамика.

В развитии физической картины мира можно выделить четыре этапа: 1) натурфилософский 2) классический 3) неклассический 4) постнеклассический, современный.

Натурфилософская картина мира. Натурфилософский этап в развитии физической картины мира начинается в эпоху Античности. В Древней Греции физика рассматривалась как часть философии и понималась как учение о природе, как натурфилософия.

Представители ионийской школы (Фалес, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит) считали основой мира одну из наблюдаемых материальных субстанций (воду, воздух, огонь и др.);

представители атомистической школы (Левкипп, Демокрит) считали, что основу мира составляют не одна, а две субстанции: атомы и пустота;

представители же идеалистической школы видели основу мира в числах, идеях, формах (Пифагор, Платон, Аристотель).

Концепция Аристотеля стала вершиной античной натурфилософии: последний систематизировал и подытожил научные достижения античного периода, поэтому первую парадигму науки называют аристотелевской.

N.B! Согласно его утверждениям, рождение мира произошло в результате Первотолчка, сила которого проявляется постоянно для поддержания движения. Аристотелевская картина мира оставалась основой на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI в. Лишь в эпоху Возрождения началась ее систематическая критика.

Натурфилософская картина мира базировалось на утверждениях:

1. Наши чувства способны воспринимать только качественные состояния и различия, поэтому физическая истина о мире может быть постигнута только разумом.

2. С точки зрения разума, любое качество суть не что иное, как определенная степень количества единой субстанции. Т.о., все существующие состояния и процессы природы различаются лишь количественной мерой проявления в них исходной материальной субстанции, стало быть, описание Природы должно быть осуществлено количественным языком.

3. В мире нет ничего случайного: все предопределено, т.е. свобода воли, или выбор, отсутствует (фатализм).

4. Материальный мир является несовершенной копией истинного, идеального мира, сущность которого может быть постигнута лишь умозрением. Такая форма познания называется спекулятивной.

5. Природа, понимаемая как совокупность вещей и энтелехии (причинное воздействие формы на материю - гилеоморфизм) есть гармоничный космос.

Итак, натурфилософская картина мира базировалась на космоцентрической модели мира, и вкупе с геоцентризмом Клавдия Птолемея и теорией атомистики Демокрита представляла собой статическую модель мира.

Классический этап в развитии физической картины мира характеризуется складыванием механистической картины мира, которая возникла в области макродинамики. Ее теоретическим фундаментом является классическая физика Галилея-Ньютона.

Классическая физика. Первый серьезный вызов Аристотелевой физике был сделан в области астрономии. Он начался с критики птолемеевской геоцентрической модели Вселенной и разработкой гелиоцентрической системы мира Николаем Коперником. Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг солнца потребовали внести изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечность (бесконечная делимость), но была приемлема актуальная бесконечность (бесконечность большого тела). В мировоззренческом смысле система Коперника знаменовала собой освобождение науки от теологии. Этому способствовала концепция двойственности истины (признание права на существование «естественного разума» наряду с верой, основанной на откровении), которая устранила противоречия между теологией и наукой.

N.B! Однако постепенно накапливающиеся изменения привели к тому, что представление о соотношении веры и разума в картине мира стало меняться: сначала они становятся равноправными, а затем, в эпоху Возрождения, разум был поставлен выше откровения. В эту эпоху человек стал пониматься не кА природное существо, а как творец самого себя, что и выделяет его из всех прочих существ. Человек, т.о., становится на место Бога: он сам себе творец, он – владыка природы. Снимается граница между наукой как постижением сущего и практически-технической деятельностью. Идет стирание граней между теоретиками-учеными и практиками-инженерами. Начинается математизация физики и физикализация математики, которая завершилась созданием математической физики Нового времени.

Развитие идей о бесконечности Вселенной продолжил Николай Кузанский: у Вселенной нет центра, она потенциально бесконечна, писал он. Джордано Бруно сделал следующий шаг, заявив, что Вселенная бесконечна актуально, а мир и Бог – одно и то же. Но прославила его концепция множественности обитаемых миров. Стремясь опровергнуть Коперника, Тихо Браге построил свои звездные таблицы, более точные, чем у Птолемея. А Иоганн Кеплер, используя их, открыл свои законы движения планет вокруг Солнца.

N.B! Законы Кеплера:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты изменяется пропорционально времени обращения (таким образом, радиус-вектор за равные промежутки времени описывает равные площади).

3. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их расстояний от него.

Созданием своих законов Кеплер положил конец более чем двухтысячелетнему господству догматической веры в совершенство небес и идеи об идеальном круговом движении небесных тел как единственно возможном. Более того, Земля была окончательно «свергнута» со своего пьедестала в центре мироздания.

Галилео Галилей был первым ученым, который посмотрел на небо через телескоп (perspicillium), это позволило ему сделать много открытий, обогативших астрономию (спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна, вспышка сверхновой).

N.B! Наблюдения Галилея согласовывались с взглядами Коперника и, кроме того, являлись убедительным свидетельством против догмата о разделении мира на небо и Землю. Кроме того, в своей работе «Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой» он приводит доводы в пользу истинности учения Коперника не только астрономические, но и механические.

Опровергая аргументы Птолемея, направленные против утверждения о вращении Земли, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием закона инерции было опровергнуто многовековое заблуждение Аристотеля о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что прямолинейное и равномерное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное, не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывал различными опытами и логическими рассуждениями, доказывая необходимость применения теории вкупе с практикой.

Галилей сформулировал ряд фундаментальных принципов классической механики:

принцип инерции, согласно которому, когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;

принцип сохранения скоростей и сохранения временных и пространственных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой, так называемое Галилеево преобразование.

принцип относительности, согласно которому в инерциальных системах отсчета все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить, движется она прямолинейно и равномерно или покоится;

Окончательное формирование новой, классической картины мира произошло благодаря работам великого физика Нового Времени Исаака Ньютона, поэтому вторую парадигму науки называют ньютоновской.

Заслуга Ньютона была в том, что он соединил механистическую философию Р.Декарта, законы Кеплера о движении планет и законы Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию.

N.B! Основу космологии Ньютона составил закон всемирного тяготения,

F=G

(где F - сила тяготения, G - гравитационная постоянная, m₁m₂ – массы взаимодействующих тел, R – расстояние между ними).

Им были сформулированы три основных закона движения, имеющие фундаментальное значение.

N.B! Первый закон Ньютона: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния.

Второй закон: произведение массы тела на его ускорение равно действующей на него силе F=ma; а направление ускорения совпадает с направлением силы.

Третий закон: действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

Законы Ньютона справедливы только для инерциальных систем. Однако ни одно реальное тело не может с идеальной точностью выполнять функцию такой системы, поскольку в реальности всегда присутствуют силы, нарушающие закон инерции и другие законы механики. По-видимому, это и привело Ньютона к понятию абсолютного пространства, для которого закон инерции и все другие законы механики имели бы абсолютную силу.

Первый и второй законы Ньютона окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении. Ньютон предельно ясно объяснил, что для поддержания движения сила не нужна, поскольку мир развивается по инерции.

Используя математический аппарат созданной им новой физической теории – классической механики, Ньютон вывел из нее законы Кеплера, разработал теорию движения Луны и комет, объяснил механику возникновения приливов, предложил теорию искусственного спутника Земли, предсказал приплюснутую форму Земли. Именно Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для всех законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также взаимного тяготения. Механика Ньютона стала основой новой физической картины мира – картины мира классической науки.

N.B! Окончательное оформление эта картина мира получила к концу XVIII в. в результате трудов блестящей плеяды французских и немецких ученых А.Клеро, М.Эйлера, Ж.Лагранжа, П.Лапласа, И.Канта, которые внесли существенные усовершенствования в классическую картину мира, создав динамическую модель мироздания.

Таким образом, вторая глобальная естественнонаучная революция, преобразовавшая все естествознание и проходящая под знаком ньютоновской, представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму (а от него – к полицентризму). Ее основными достижениями можно считать:

1) натурализм – идею самодостаточности природы, управляемой естественными, природными законоами;

2) механицизм – представление мира в качестве машины, состоящей из элементов разной степени важности и общности;

3) квантитативизм – универсальный метод количественного сопоставления и оценки всех предметов и явлений мира, отказ от качественного мышления античности и средневековья;

4) причинно-следственный автоматизм – жесткую детерминацию всех явлений и процессов в мире естественными причинами, описываемыми с помощью законов механики;

5) аналитизм – примат аналитической деятельности над синтетической в мышлении ученых, отказ от абстрактных спекуляций, характерных для античности и средневековья;

6) геометризм – утверждение картины безграничного однородного, описываемого геометрией Евклида и управляемого едиными законами космического универсума.

Еще одним важнейшим итогом научной революции нового времени стало соединение умозрительной натурфилософской традиции античности и средневековой науки с ремесленно-технической деятельностью, с производством. Кроме того, в науке утвердился гипотетико-дедуктивный метод познания.

Термодинамика. К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество считало, что механика Ньютона практически полностью сняла все проблемы научной картины мира, поскольку «систему мира можно создать один раз». В частности, явления переноса теплоты объяснили с помощью механической субстанции – теплорода.

N.B! Теория теплорода. Нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости, частицам которой также присущи определенные силы. Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел ― силы притяжения.

Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели дело главным образом с явлениями перераспределения теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты остается неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подобно воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теплоте как о веществе. С помощью вещественной теории теплоты объяснялось наличие теплового баланса при калориметрических измерениях, явление теплопроводности и т.п.

Были придуманы и другие такие субстанции, подобные теплороду, но только электрические и магнитные.

Однако положение стало меняться в связи с развитием термодинамики.

Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в середине XIX в. Р.Майером, Дж.Джоулем, У.Томсоном Р.Клаузиусом и Г.Гельмгольцем , привели к выводам о которых Р.Майер писал: «Движение, теплота, электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным условиям».

Г.Гельмгольц это обобщает это утверждение в вывод: «Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна». У.Томсон уточняет понятия «напряженные и живые силы» до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив при этом энергию как способность совершать работу.

В итоге Р.Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: «Энергия мира постоянна». Так совместными усилиями был открыт закон сохранения и превращения энергии. Его называют первым началом термодинамики.

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона: – закона возрастания энтропии. Клаузиус писал: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может проходить без компенсации». Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией.

N.B! Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо.

Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, в 1824 г. открыл Сади Карно. Его называют также вторым началом термодинамики.

N.B! Первое следствие из второго начала термодинамики предложил А.Эддингтон. Он предложил первую научную теорию, объясняющую, что источник энергии звезд – превращение в тепло энергии гравитационного сжатия. В ХХ в. стало ясно, что этот механизм недостаточен (поскольку необходимо учитывать поступление в недрах звезд энергии, выделяющейся при термоядерной реакции превращения протонов в ядра гелия). Используя закон возрастания энтропии, А.Эддингтон сформулировал критерий, определяющий направление времени во Вселенной: стрела времени есть свойство энтропии.

Другое следствие из второго начала термодинамики сформулировал Р.Клаузиус и У.Томсон, выдвинув гипотезу тепловой смерти Вселенной, в которой предположил, что история мира завершится, когда вследствие продолжающегося роста энтропии он достигнет состояния термодинамического равновесия, т.е. абсолютного покоя. Возникал естественный вопрос, почему до сих пор этого уже не случилось.

Принцип возрастания энтропии поставил перед физиками ряд проблем: соотношения необратимости и обратимости физических процессов, формальности сохранения энергии, не способной совершать работу при температурной однородности тел. Все это требовало более глубокого обоснования начал термодинамики, прежде всего природы тепла.

Попытку такого обоснования предпринял Людвиг Больцман, который пришел, опираясь на молекулярно-атомное представление о природе теплоты, к выводу о статистическом характере второго закона термодинамики: вследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения, мы можем наблюдать лишь средние значения, а определение средних значений – дело теории вероятностей.

N.B! При максимальном температурном равновесии максимален и хаос движения молекул, в котором исчезает всякий порядок. Встает вопрос: может ли и если да, то каким образом снова возникнуть порядок? Пытаясь снять этот парадокс, он предположил, что наш мир – не более чем гигантская флуктуация в необъятной Вселенной, которая в целом уже давно мертва. Ответы удалось получить много позже, лишь через сто лет, введя принцип симметрии и синергии.

Отмеченные выше открытия, тем не менее, обогатили классическую картину мира. По словам Гельмгольца, научное познание мира будет завершено по мере того, как будет выполнено сведение явлений природы к простым силам и будет доказано, что это единственно возможное сведение, которое допускают явления.

Классический этап в эволюции физической картины мира закончился в с связи с открытиями термодинамики и зарождающейся электродинамики.

N.B! Открытие законов электромагнетизма и невозможность дать им механистическое объяснение привели к созданию электродинамической теории физических процессов. Дополненная потом постулатами теории относительности она в конечном итоге привела к формированию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

К концу XIX века ряд важнейших открытий в физике микромира показали ограниченность теоретических моделей и принципов классической электродинамики. В естествознании произошел подлинный переворот, приведший к созданию квантово-релятивистской картины мира (КРКМ). Квантовая электродинамика – это физическая теория, устанавливающая закономерности движения микрообъектов (электронов, элементарных частиц). Она в корне изменила концептуальные основания физики, химии, космологии и других естественных наук. Последствия этих открытий: создание ядерной энергетики, информационных технологий, сверхточных методов измерений и анализа и др.

Электродинамика. К середине XIX в. физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Природа электричества частично прояснилась. В это же время намечаются две основные концепции в понимании электрических и магнитных явлений ― дальнодействия и близкодействия.

Француз Ш.Ф.Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются». Важным шагом в изучении электрических явлений стало изобретение в 1745 г. лейденской банки, благодаря которому физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Был открыт ряд важнейших законов Кулона.

N.B! Основной закон электростатики ― закона Кулона – гласит, что электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. так же, как гравитационная сила.

Среди многих ярких открытий этого времени ― изобретение А. Вольта источника постоянного тока (вольтов столб). Выявляется способность электричества вызывать химические действия, т.о. зарождается электрохимия. Многие исследования в этой области и многих других принадлежат М.В.Ломоносову.

N.B! Ломоосов впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, об электрической природе северного сияния, защищал волновую теорию света. Он разработал и прочитал необычный курс физической химии, заложив фундамент новой науки. Он также является одним из основоположников кинетической теории теплоты и газов, выяснив закон сохранения материи и движения, впервые предсказал существование абсолютного нуля температуры. Он оставил после себя большое количество идей, которые осуществлялись наукой в течение 100-150 лет после его смерти. Например, опыт двойного преломления луча в электрическом поле, проведенный позднее Керром (эффект Керра) и эффект магнитного и электрического взаимодействия, осуществленный позже лордом Кельвином (У.Томсоном) в абсолютном электрометре.

Первоначально электрические явления – искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать заряд – считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. Однако датский физик К.Эрстед и французский физик Ампер продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым.

Был открыт закон Ампера, закон постоянного тока. Ампер по существу стал творцом новой науки – электродинамики.

N.B! Ампер заметил, что магнитные явления происходят только тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности он вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах он сводит магнетизм к электричеству. Ампер формулирует до сих пор неизвестный закон о взаимодействии токов. В работе «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта» им была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов.

Все эти законы базировались на принципе дальнодействия. Исключением были взгляды Майкла Фарадея, который считал, что электрическое действие передается посредством непрерывной среды, отталкиваясь, таким образом, от принципа близкодействия.

N.B! Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия - мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот же момент. Принцип дальнодействия утвердился как способ передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью.Однако концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, выполняющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия - концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве. Скорость передачи взаимодействия ограничена физическим пределом – скоростью света в вакууме: с=3 10⁸ м/с

Приняв эстафету от Эрстеда и Ампера, Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции (возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита). Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях.

N.B! Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль, как и сам магнит.

К.Максвелл, обобщая открытия Эрстеда и Фарадея, устанавливает органическую связь между электричеством и магнетизмом и вводит понятие электромагнитного поля. Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.

N.B! Теория электромагнитного поля (полевая концепция) ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. Поскольку перенос взаимодействия осуществляется посредством силового поля, – в теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой, – то вводится особая характеристика – напряженность поля в этой точке. Это сила, действующая на объект со стороны поля. Например, действие электростатического поля на единичный заряд (кулоновская сила).

Максвелл сформулировал законы электромагнетизма, подведя теоретический базис под опыт явлений электромагнетизма, полученный из предшествующих эмпирических исследований. Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Максвелл получает волновое уравнение, из которого следовало, что в пустоте должны распространяться электромагнитные волны, скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Отсюда был сделан вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

Спустя 20 лет (в1888г.) Генрих Герц экспериментально доказал существование этого явления, осуществив передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн.

N.B! Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых варьирует от значений очень маленьких (1/1000000000000м) и до многих километров. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех видов распространяются в вакууме, со скоростью света и имеют одну и ту же природу.

При этом возник вопрос, что является носителем электромагнитного поля. Для того, чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона, т.е. малой заряженной электрически частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 году немецким физиком П.Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле.

N.B! Впоследствии в 1897 г. У. Томсон (лорд Кельвин) экспериментально подтвердил наличие мельчайшей заряженной частицы электрона. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц). В 1911 г. Эрнст Резерфорд предложил модель строения атома, который ранее считался мельчайшей неделимой частицей.

Концепция эфира. Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности волны. В какой же среде распространяются электромагнитные волны?

Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняющего пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн.

Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством. Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу. Соответственно распространение световых волн уподоблялось распространению звука в упругой среде.

Но субстанция, осуществляющая взаимодействие электромагнитных волн с веществом, должна была тогда обладать парадоксальными свойствами: передавая свет и другие электромагнитные волны, она должна быть абсолютно твердой, т.к. скорость света велика, и одновременно она не должна оказывать никакого сопротивления движению небесных тел. Кроме того, она должна быть абсолютно прозрачной. Чтобы внести ясность в эти вопросы, надо было опытным путем решить вопрос о существовании эфира.

Гипотеза механического эфира встретилась с большими трудностями. Так, поперечность световых волн требовала от эфира свойств абсолютно твердого тела, но в то же время полностью отсутствовало сопротивление эфира движению небесных тел.

N.B! В течение долгого времени поколения математиков и физиков пытались внести свой вклад в решение проблемы эфира. В результате попыток построить модель эфира была, например, тщательнейшим образом разработана механика сплошных сред и ее аппарат, однако адекватную модель эфира построить так и не удалось.

Нерешенным оставался также вопрос об участии эфира в движении тел. Ряд явлений, например, аберрация света, приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир, и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления ее движения в эфире. Однако этого не было обнаружено - опыт Майкельсона дал отрицательный результат.

N.B! Аберрация света в астрономии ― это кажущееся смещение небесного объекта вследствие конечной скорости распространения света в сочетании с движением наблюдаемого объекта и наблюдателя. Действие аберрации приводит к тому, что видимое направление на объект не совпадает с геометрическим направлением на него в тот же момент времени.

Эффект возникает ввиду изменения пространственной проекции направления на наблюдаемый объект при переходе между разными системами отсчёта. Система отсчёта обсерватории не совпадает с системой отсчёта центра масс Земли, которая опять-таки не совпадает с системой отсчёта Солнечной системы, которая в свою очередь движется относительно других объектов Галактики.

Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством телескопа, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько ― впрочем очень мало, как сказано ниже ― увеличив его в сторону движения наблюдателя. С точки зрения СТО данный эффект описывается преобразованиями Мёбиуса.

Эту попытку осуществили американские физики А.Майкельсон и Э.Морли в 1881 году, поставив опыт для выяснения участия эфира в движении тел. Воспользовавшись обстоятельством, что уравнения Максвелла неинвариантны (не сохраняются) относительно системы отсчета, они осуществили интерферометрическое сравнение пучков света, распространявшихся поперек движения Земли и вдоль него.

N.B! Интерференция света – это физическое явление, при котором два луча света накладываются друг на друга (поперечность волн). При этом на экране возникает картина чередующихся темных и светлых полос.

Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет. N.B! Это означало, что уравнения Максвелла не соответствовали механистическим законам, законам Ньютона.

Сторонник сохранения уравнений Максвелла Г.Лоренц, привязав эти уравнения к эфиру как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Галилея, его преобразованиями и сформулировал свои преобразования.

N.B! Галилеево преобразование - принцип сохранения скоростей и сохранения временных и пространственных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой. Инерциальные системы – системы отсчета, в которых свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения; система отсчета называется неинерциальной, если она движется с ускорением относительно выбранной ИСО)

На базе преобразований Лоренца, которые были получены в 1904 году как преобразования, по отношению к которым уравнения классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид, можно было объяснить всю совокупность результатов в области электродинамики движущихся тел в начале века. Из преобразований следовало, что пространственные и временные интервалы при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой не сохраняются, т.е. неинвариантны: из них видно, что должен меняться и темп хода времени при переходе.

N.B! Лоренц и Пуанкаре интерпретировали преобразования Лоренца динамически, т.е. в рамках классических представлений о пространстве и времени - как результат сжимания тел постоянным давлением эфира.

Эйнштейн интерпретировал преобразования Лоренца кинетически, т.е. как характеризующие свойства движения в пространстве и времени, тем самым заложив основы теории относительности. Он снял пЛекция 5. Формирование неклассической физической картины мира

1. Специальная и общая теории относительности.

2. Квантовая механика. Принципы неопределенности и дополнительности.

3. Релятивистская механика.

4. Элементарные частицы.

5. Типы взаимодействий.

Специальная теория относительности. В 1905 г. Альберт Эйнштейн, служащий Швейцарского патентного бюро, опубликовал работу о специальной теории относительности, в корне изменившей представления о пространстве и времени, а также разрешившей проблемы электродинамики. В ней получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механистическом движении.

N.B! Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформулировав свой принцип, согласно которому « Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно».

Эйнштейн в своей СТО переформулировал этот принцип: по-эйнштейновски он звучал так:

1. Все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов.

Первый постулат означает, что равномерное и прямолинейное движение такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается.

N.B! Принцип относительности устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета и отбросил как ненужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства.

Второй постулат СТО гласил:

2.Скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета.

N.B! Это означает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях и равна 300 тыс. км/с. Вселенная устроена так, что все наблюдатели должны получить в результате своих измерений одну и ту же скорость света.

Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от латинского - относительный) и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими).

N.B! Выводы из положений специальной теории относительности:

1. Сокращение длины. Как отмечал Лоренц, движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Если космический корабль проносится с большой скоростью мимо находящегося в неподвижном состоянии наблюдателя, то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительно на величину, зависящую от скорости корабля. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным этот эффект, и если бы корабль мог двигаться точно со скоростью света, его наблюдаемая длина была бы равна нулю.

2. Замедление времени. В быстро движущемся корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее, его собственных. Если бы ракету можно было бы разогнать до скорости света, то для «покоящегося» наблюдателя время внутри нее остановилось бы. Эффект замедления времени касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Другими словами, с точки зрения земного наблюдателя члены космического корабля стареют медленнее, чем их космические двойники. Если один из двух близнецов совершит космическое путешествие со скоростью света, то по возвращении на Землю он обнаружит, что оставшийся дома его брат стал гораздо старше его самого (парадокс близнецов). Эффект замедления времени подтвержден многими экспериментами с космическими лучами.

3. Увеличение массы. Пытаясь согласовать со специальной теорией относительности второй закон Ньютона, Эйнштейн обнаружил еще одно следствие своей теории: масса тела зависит от скорости его движения. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше становится его масса, и если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла до бесконечности. Отсюда следует, что никакое тело с отличной от нуля массой нельзя разогнать до скорости света, так как для этого потребуется бесконечная энергия.

В том же 1905 году была опубликована небольшая заметка Эйнштейна, где автор находил связь между массой и энергией. «Масса тела есть мера содержащейся в ней энергии», заключает он. Так появляется знаменитое соотношение

Е= mc² ,

Где Е – полная энергии тела, m – его масса покоя, с – скорость света.

N.B! Ключевой момент специальной теории относительности состоит в том, что никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе был бы нарушен фундаментальный закон причинности: причина всегда предшествует следствию. Во вселенной тогда нарушилась бы логическая связь событий: они стали бы абсолютно случайными и непредсказуемыми. По-видимому, для нас совсем не плохо, что информация не распространяется быстрее скорости света.

Мы знаем, что окружающий нас мир имеет три измерения. Принимая точку зрения Ньютона, мы представляем себе время как независимо существующий, непрекращающийся, ровно текущий поток. Но специальная теория относительности утверждает, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое и неизменное.

В 1907 г. немецкий математик Герман Минковский высказал предположение, что три пространственные координаты и одна временная размерность тесно связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве-времени. Эйнштейн быстро оценил преимущества пространственно-временного континуума, создав общую теорию относительности.

Общая теория относительности. В 1916 г. Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, совершив еще один переворот в физических представлениях, на сей раз о природе гравитационного взаимодействия. Идея Эйнштейна состояла в том, чтобы представить все физические законы как свойства континуума, как его метрику. С этой позиции он рассмотрел закон тяготения И.Ньютона. Только вместо силы тяготения он стал оперировать полем тяготения.

N.B! Самой важной особенностью поля тяготения, известной в ньютоновской теории и положенной Эйнштейном в основу общей теории относительности, является то, что тяготение совершенно одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тел. Так, на поверхности Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением - ускорением свободного падения. Этот факт был установлен опытным путем Галилеем. Он может быть сформулирован как факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения).

Фундамент теории Эйнштейна был заложен в 1907 г., когда он сформулировал принцип эквивалентности. Принцип следует из равенства инертной и гравитационной масс.

N.B! Термин «масса», относящийся ко второму закону Ньютона, имеет смысл инертной массы – меры сопротивления тела любому изменению состояния его движения. Но понятие «масса» в ньютоновском законе всемирного тяготения имеет другой смысл – это тяготеющая масса или гравитационная масса. Еще Галилей утверждал, что в гравитационном поле все тела, независимо от их массы, приобретают одинаковые ускорения. Отсюда вытекает равенство инертной и гравитационной масс. Сам факт их равенства и то, что все тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением, называют иногда слабым принципом эквивалентности.

В картине мира современной физики принцип эквивалентности играет фундаментальную роль. Согласно ему поле тяготения в небольшой области пространства и времени (в которой его можно считать однородным и постоянным во времени) по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета – неинерциальной.

Указанное свойство гравитационных полей дает возможность установить существенную аналогию между движением тел в гравитационном поле и движением тел, не находящихся в каком-нибудь внешнем поле, но рассматриваемых с точки зрения неинерциальной системы отсчета.

Свойства движения в неинерциальной системе отсчета такие же, как и в инерциальной системе при наличии гравитационного поля. Движение в неинерциальной системе отсчета эквивалентно некоторому гравитационному полю. Это обстоятельство и называют принципом эквивалентности.

N.B! Так, если вы находитесь в закрытой кабине лифта (пример Эйнштейна), то вы не в состоянии отличить влияние тяготения от эффектов ускоренного движения. В такой закрытой кабине лифта невозможны никакие эксперименты, которые позволили бы вам отличить явления, связанные с тяготением, от явлений, характерных для ускоренного движения. Внутри небольшой замкнутой кабины эффект гравитации и ускоренного движения неразличимы.

Одно из следствий принципа эквивалентности – отклонение лучей от света (фотонов) вблизи тяготеющих масс, а свет, испускаемый тяготеющей массой, должен испытывать красное смещение. Это было подтверждено экспериментально Хабблом. Новая теория объяснила не согласующуюся с ньютоновским законом тяготения траекторию вращения Меркурия вокруг Солнца, а также отклонения луча звездного света, проходящего вблизи Солнца.

Так из физики было элиминировано понятие «инерциальной системы координат» и обосновано утверждение обобщенного принципа относительности: любая система координат является одинаково пригодной для описания явлений природы.

Другим ключевым моментом в общей теории относительности было понятие кривизны пространства-времени. В соответствии с принципом эквивалентности, общая теория относительности трактует тяготение как искривление четырехмерного пространственно-временного континуума (и в этом ее отличие от евклидовой геометрии). Эйнштейн предположил, что в присутствии массивных тел должно искривляться все пространство-время, а не только пространство.

N.B! Если в любой конечной области пространство оказывается искривленным, это означает, что время в разных точках будет течь по-разному. А лучи света и частицы будут двигаться в пространстве-времени самым коротким путем – по геодезическим линиям (геодезическая линия на сфере – это дуга).

Итак, поля тяготения были включены в пространственно-временной континуум как его «искривление». Кривизна континуума стала рассматриваться как результат распределения движущихся в нем масс. Метрика континуума т.о. стала неевклидовой, «римановской» метрикой.

N.B!Иными словами, тяготение есть следствие геометрических свойств пространства-времени вблизи массивных тел. Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство-время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела. А. Уилер, американский физик-теоретик дал меткую характеристику общей теории относительности: «Вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу, как тому двигаться».

Ряд выводов ОТО качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

Квантовая механика. С созданием специальной и общей теории относительности изменились наши взгляды на природу материи. Это была настоящая революция в нашем понимании пространства, времени и Вселенной. Но это была не единственная революция в физике начала ХХ века. Примерно в то же время в корне изменились представления о природе излучения и вещества. Это было и время становления квантовой теории или квантовой физики.

Волновая, или квантовая механика возникает в связи с описанием процессов, происходящих в мире мельчайших частиц – в микромире. Первый шаг в этом направлении сделал Макс Планк, выдвинувший гипотезу о квантах электромагнитного излучения.

Все началось с исследования абсолютно черного тела. На рубеже 18-19 веков было серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории считалось, что его излучение должно быть непрерывным, континуальным. Однако это приводило к парадоксальным выводам вроде того, что общая энергия, излучаемая черным телом при данной температуре равна бесконечности (формула Релея-Джина). Но основанная на уравнениях Максвелла классическая теория излучения нагретых тел противоречила результатам экспериментов.

N.B! Планк пришел к своему открытию, исследуя спектры излучения нагретых тел. Наука того времени не могла дать однозначный ответ на вопрос, почему цвет излучения зависит только от температуры, и совершенно не зависит от свойства нагреваемых тел. Все попытки математически описать излучение энергии нагретого тела в пустое пространство успехов не имели. Зачастую уравнения приводили к выводам, противоречащим всему накопленному человечеством опыту.

Планк тоже сначала подошел к загадке с традиционных позиций. Первые результаты выглядели поистине устрашающе. Выходило, что ультрафиолетовые и еще более коротковолновые лучи спектра так быстро уносили энергию в вакуум, что Вселенная должна была неизбежно охладиться до абсолютного нуля. Вселенную ожидала «ультрафиолетовая смерть».

Описывая обмен энергией между нагретым телом и окружающим пространством, Планк предположил, что такой процесс может быть не непрерывным, а дискретным. Иными словами, Планк выдвинул гипотезу, что вещество не может излучать или поглощать энергию, иначе как конечными порциями, квантами, пропорциональными излучаемой частоте.

Используя эту гипотезу, Планк получил выражение для распределения энергии в спектре излучения черного тела, совпадающее с экспериментом:

E=hn,

где h – универсальная константа, имеющая размерность действия (эрг\с), названная планковской, а n – частота излучения.

Только после этого удалось построить согласующуюся с опытными данными теорию излучения, которая устранила абсолютно неприемлемую гипотезу, известную как ультрафиолетовая катастрофа, согласно которой все тела должны излучать в коротковолновом диапазоне бесконечную энергию.

N.B! Но идея дискретности энергии подрывала основы классической физики. Т.о. Планк подложил первую мину в фундамент классической физики.

Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах, обнаруживших, что при облучении твердых тел светом из них выбиваются электроны. Для объяснения так называемого фотоэффекта А.Эйнштейном была использована гипотеза Планка.

N.B! Герц и Столетов еще в XIX в. детально исследовали это явление, связанное с выбиванием электронов. Но до Эйнштейна оставалось неясным, почему энергия выбиваемых электронов не зависит ни от яркости падающих лучей, а определяется только их цветом, т.е частотой. Загадкой была и красная граница фотоэффекта.

Кропотливые измерения показали, что для каждого вещества в солнечном спектре существует строго определенный частотный барьер. Лучи с частотой колебаний, меньше «барьерного значения», т.е. сдвинутой в красную сторону спектра, фотоэффект не вызывают. Все это в корне противоречило классической волновой природе света. Классические представления заставляли скорее предполагать обратное – постепенное усиление воздействия света со временем. Иначе говоря, свет любой частоты должен был выбивать электроны, разница заключалась лишь в яркости, интенсивности света. Яркость и время – вот единственные факторы эффекта. Но сколько ни облучали металлические пластинки монохроматическим светом, лежащим за красным барьером, эффекта не возникало. Только квантовые представления Эйнштейна оказались способными объяснить фотоэффект.

Чтобы выбить электрон из металла, нужна определенная энергия. Это понимали и до Эйнштейна. Но только Эйнштейн показал, что каждому электрону соответствует поглощенный световой квант. Они взаимодействуют лицом к лицу, один на один. Энергия отдельного фотона определяется только частотой. Энергия «фиолетового» кванта естественно выше энергии «красного». Поэтому «фиолетовый» квант способен преодолеть силы, удерживающие электрон в металле, а «красный» порой погибает бесцельно. Все зависит от степени «красности» или «фиолетовости». Вот почему наблюдается «красный барьер». Отвечающая барьеру энергия характеризует самую низшую порцию, которая может еще вырвать электрон с поверхности твердого тела.

Эйнштейн доказал на основе квантовой теории, что энергия, необходимая для освобождения электрона, зависит от частоты света (светового кванта), поглощаемого веществом, а не от его интенсивности. Он показал также, что свет не только испускается, но и поглощается в форме квантов энергии.

N.B! Фотоэффект не зависит ни от яркости облучения, ни от расстояния до источника света. Энергия вылетающих электронов зависит от частоты падающего света. Энергия электрона – это всего лишь разность первоначальной энергии выбившего его кванта и энергии, которую этот квант потратил на преодоление удерживающих электрон сил. А яркость света – всего лишь количество фотонов, приходящихся в секунду на единицу поверхности. Фотоны обрушиваются на вещество независимо друг от друга. Каждый побеждает или умирает в одиночку. Если энергии достаточно – электрон вылетает наружу, недостаточно – квант без видимых последствий поглощается веществом.

Кванты света представляют собой частицы, которые движутся в вакууме со скоростью 300 000 км/сек. Квантованные порции электромагнитного излучения в 20-е годы ХХ в. стали называть фотонами. Эйнштейн также предположил, что свет, в соответствии с формулой Планка, обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. В сообществе физиков заговорили о корпускулярно-волновом дуализме.

N.B! Дуализм в понимании материи показывает нам, что мы описываем мир недостаточно адекватными моделями, ни одна модель не описывает всех свойств реальных объектов, она передает те свойства, которые в данном случае нас интересуют, или считаются более существенными.

Одним из доказательств корпускулярно-волнового дуализма является интерференция.

N.B! Интерференционную картину можно рассчитывать на основе как волновых свойств света, так и рассматривая свет как фотоны, т.е. частицы. Из квантового описания следует, что в одних частях экрана (соответствующим светлым полосам) вероятность найти фотоны больше, а в других частях (соответствующим темным полосам) меньше.

Отсюда можно говорить и о волновых свойствах электрона, например о дифракции электрона, которые были экспериментально установлены через несколько лет К.Дэвидсоном, исследовавшим рассеяние пучка электронов на монокристаллической решетке.

N.B! Дифракция - явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.

Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий, но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн.

Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции.

С точки зрения современной науки определение дифракции как огибания светом препятствия признается недостаточным (слишком узким) и не вполне адекватным. В средах, в которых скорость волны плавно (по сравнению с длиной волны) меняется от точки к точке, распространение волнового пучка является криволинейным При этом волна также может огибать препятствие. Однако такое криволинейное распространение волны может быть описано с помощью уравнений геометрической оптики, и это явление не относится к дифракции.

Отступление от прямолинейности распространения света наблюдается также в сильных полях тяготения. Экспериментально подтверждено, что свет, проходящий вблизи массивного объекта, например, вблизи звезды, отклоняется в ее поле тяготения в сторону звезды. Таким образом, и в данном случае можно говорить об «огибании» световой волной препятствия. Однако, это явление также не относится к дифракции.

Вместе с тем, во многих случаях дифракция может быть и не связана с огибанием препятствия. Такова, например, дифракция на непоглощающих (прозрачных) так называемых фазовых структурах.

В результате многочисленных экспериментальных данных Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ не только свету, но и веществу, элементарным частицам, введя представление о волнах материи.

N.B! Через два десятилетия Л.де Бройль, распространив представления Эйнштейна на все элементарные частицы, построит волновую механику.

Однако эксперименты Р.Фейнмана с «обстрелом» электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, с одной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает электрон, т.е. точно определить его координату, а с другой стороны, не исказить картины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе. Этот эксперимент поставил под вопрос само понятие частицы в классическом смысле точной локализации в пространстве и времени.

Ясность в эту специфическую особенность квантовой теории в 1927 г. внес немецкий физик Вернер Гейзенберг. Им впервые было дано объяснение этого неклассического поведения микрочастицы. Он показал, что описание поведения элементарных частиц с помощью классических понятий координат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Точное знание координаты приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот – точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. Соответствующее ограничение получило название принципа неопределенности.

ΔX · ΔP ≥ h

где ΔX – неопределенность в значении координаты; ΔP – неопределенность в значении импульса; h – постоянная Планка.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. На микроскопическом уровне (т.е. когда речь идет о фотонах или элементарных частицах вещества), мы не можем точно предсказать результат конкретного эксперимента (например, указать на экране точку, в которую должен попасть фотон). Все, что мы можем сделать – это лишь рассчитать вероятность различных исходов опыта. И только при наличии очень большого количества частиц наши предсказания хода эксперимента обретают необходимую точность. Эта очень глубокая мысль предполагает принципиальную ограниченность наших возможностей предсказывать развитие событий.

N.B! Это означает что законы макромира не подходят для микромира. В классической механике поведение материальной частицы описывается основным законом динамики F=ma (второй закон Ньютона). Ньютон сформулировал этот закон для материальной точки, которая имеет массу, но не имеет размера. Но как следует из дуализма «волна-частица» и соотношений неопределенности, для описания поведения элементарных частиц этот закон очевидно неприменим.

Гейзенберг в 1925 году построил формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали некоторые абстрактные величины - матрицы. Работа Гейзенберга была развита Борном и Иорданом. Так возникла матричная механика.

Принцип Гейзенберга фундаментален и важен. Гейзенберг наглядно объяснил свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы мы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того, чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым изменят его импульс на неопределенную величину. Таким образом, мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется неопределенным.

N.B! Можно ли применить этот принцип к макротелам? Возьмем в качестве макротела легковой автомобиль. Предположим, что он движется по соседней с нами дороге со скоростью 50 км в час. В данном случае мы можем одновременно определить скорость и координату автомобиля. Допустим, что рядом находится сотрудник автоинспекции, которого заинтересовала величина скорости автомобиля. Имеющийся у него радиолокатор определяет необходимую величину скорости по волнам, направленным на автомобиль. Когда радиолокационный сигнал попадает на автомобиль, а затем отражается от него, сам автомобиль получает некоторый (хотя и очень маленький) импульс. В действительности это ускорение ничтожно мало и им можно пренебречь. Таким образом, на макроуровне принцип неопределенности тоже действует, однако неопределенность намного меньше размера атома, поэтому ей можно пренебречь. Но для микромира пренебречь этими величинами невозможно.

Выход из положения неопределенности нашел Эрвин Шредингер, который воспользовался идеей де Бройля о волнах материи, сопоставив при этом движение микрочастицы с комплексной функцией координат и времени, которую он назвал волновой и обозначил буквой Ψ. Решение волнового уравнения Шредингера для функции Ψ и характеризует состояние микрочастицы. Уравнение Шредингера является основным уравнением квантовой механики.

Физический смысл волновой функции указал датский физик Нильс Бор: квадрат модуля Ψ определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах некоторого объема. Это означает, что предсказания квантовой механики, в отличие от классической механики, носят вероятностно-статистический характер, (Л.Больцман – отец статистического подхода) из чего следует, что точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.

Анализируя принцип неопределенности, Бор показал, что в зависимости от постановки эксперимента микрочастица обнаруживает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Следовательно, эти две природы микрочастиц взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга, а описание их на основе двух классов экспериментальных ситуаций является целостным описанием микрочастицы. Этот принцип был назван принципом дополнительности.

N.B! Неопределенность и дополнительность оказываются в рамках такого подхода не мерой нашего незнания, а объективными свойствами микрочастиц, микромира в целом. Из этого следует, что статистические, вероятностные законы лежат в глубине физической реальности, а динамические законы однозначной причинно-следственной зависимости – лишь некоторый частный и идеализированный случай выражения статистических закономерностей.

В дальнейшем был достигнут существенный прогресс в понимании природы частиц и широком приложении квантовой теории к различным областям физики. В результате синтеза квантовой теории и специальной теории относительности возникла квантовая электродинамика – теория электромагнитных взаимодействий, которая рассматривает процесс взаимодействия заряженных частиц как обмен фотонами.

Релятивистская механика. Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

В 1927 г. английский физик Поль Дирак обратил внимание, что для описания движения открытых к тому времени микрочастиц (электрона, протона и фотона), т.к. они движутся со скоростями, близкими к скорости света, требуется применение специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики, и относительности А.Эйнштейна. Этому уравнению удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и симметричных им античастицах.

Первой открытой античастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

N.B! Это породило вопрос: а пуст ли вакуум? После эйнштейновского «изгнания» эфира он казался несомненно пустым. Современные, хорошо доказанные представления говорят, что вакуум «пуст» только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Это не противоречит и принципу неопределенности. Вакуум в квантовой теории поля определяется как самое низкое энергетическое состояние квантового поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум – нечто по имени «ничто».

Элементарные частицы. Аристотель считал вещество непрерывным, - т.е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы не делилась.

Однако, другие древнегреческие философы, например, Демокрит, придерживались мнения, что материя имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Проходили века, но продолжался бездоказательный спор как с той, так и с другой стороны. Спор этот длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856-1940) не открыл в 1897 г. простейшую элементарную частицу материи - электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов.

В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой. Он предложил модель строения атома, который ранее считался мельчайшей неделимой частицей. Первой моделью строения атома стала «планетарная модель»: согласно этой модели атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны.

N.B! Такая система была, однако неустойчивой: вращающиеся электроны, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показал, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и что для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была усовершенствована впоследствии датским физиком Н.Бором, который на основе квантовой теории предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Энергия излучается или поглощается в виде кванта энергии при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г. Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы - нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены.

Как говорилось выше, частицы могут себя вести, подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком Полем Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда - с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образует пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс (процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) «просачиваться» через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - это так называемый квантово-механический туннельный эффект.

Характеристика элементарных частиц. Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

В современном физике к группе элементарных относятся уже более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

N.B! Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют «истинно элементарные частицы».

Все элементарные частицы имеют вращательную характеристику - спин.

N.B! Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Однако, такая картина не совсем правильная, потому что в квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. На самом деле спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Например, частица со спином 0 похожа на точку, т.к. она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает прежний вид лишь после оборота на 360 ^o. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется с полуоборота (180^o). Частицы с более высоким спином возвращаются в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежнего вида: их нужно дважды полностью повернуть! Такие частицы имеют спин 1/2.

По вращательной характеристике все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы:

частицы со спином 1/2, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, легкие частицы - лептоны и тяжелые частицы - гипероны)

и частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием - мезоны).

Частицы вещества подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами.

N.B! Если бы в сотворении мира не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы - нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное “желе”.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2. N.B! Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества меняется. Затем частица-переносчик «налетает» на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

1. Первая разновидность взаимодействия – гравитационное. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном.

N.B! Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект - вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде волн, но они очень слабые и их так трудно зарегистрировать, что пока это никому не удалось сделать.

2. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

N.B! Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная cила, действующая между двумя электронами, примерно в 10⁴⁰ раз больше гравитацион­ной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, поэтому электромагнитное взаимодействие является силой как притяжения, так и отталкивания (одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются).

3. Взаимодействие третьего типа называется слабым ядерным взаимодейст­вием. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 - фотоны и гравитоны.

N.B! Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются тяжелыми векторными бозонами и являются переносчиками слабого взаимодействия.

N.B! Эти бозоны были обозначены символами W⁺, W^- и Z⁰. Массы бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень маленький радиус действия. Примерно через десять лет предска­зания, полученные в теории Вайнберга-Салама, подтвердились экспериментально.

4. Сильное ядерное взаимодействие элементарных частиц представляет собой взаимодейст­вие четвертого типа. Оно вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессам, интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (удерживая кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра). Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимо­действуют только с кварками и с другими глюонами.

Основные взаимодействия в природе

Вид взаимодействия	Относительная интенсивность	Источник	Дальность действия	Частица-переносчик
Сильное ядерное	1	Нуклоны	d 10^-15м	Глюон
Электромагнитное	10 ^-2	Электрические заряды	d =	Фотон
Слабое ядерное	10 ^-14	Элементарные частицы	d 10^-18м	Тяжелый векторный бозон
Гравитационное	10 ^-40	Материальные тела	d	Гравитон

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны. Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии.

N.B! Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается.

Законченная теория адронов пока отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны (протоны и электроны) состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами, т.е сильным ядерным взаимодействием. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик Гелл-Манн.

Все обнаруженные адроны состоят из кварков шести различных типов – ароматов. Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u - кварк, d - кварк, странный кварк, очарованный кварк, b - кварк и t - кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый, синий. Кварк каждого аромата может находиться в трех цветовых состояниях, или обладать тремя различными цветовыми зарядами

N.B! Это просто обозначение, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет.

Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды «увидеть» составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн. .

Необычное свойство сильного взаимодействия в том, что оно обладает конфайнментом (от англ. confinement - ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий).

Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдель­ный кварк или глюон, потому что сильное взаимо­действие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимпто­тической свободой. Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти также, как свободные частицы.

N.B! Согласно квантовой механике, все частицы являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. От того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, зависит длина волны. Энергией определяется, насколько малы масштабы тех длин, которые мы сможем наблюдать. Разгоняя частицы в ускорителях (например, в синхрофазотро­не, или в адронном коллайдере) мы можем получить значительные энергии.

В результате экспериментов на мощных ускорителях действительно получены фотографии треков (следы частиц) свободных кварков, родившихся в результате столкновения протона и антипротона высокой энергии.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимопревращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Лекция 6. Неклассическая физическая картина мира (продолжение)

1. Пространство и время.

2. Неевклидовы геометрии.

3. Геометризация физики.

4. Понятие гиперпространства. Парадокс причинности.

Пространство и время. Понятия пространства и времени являются одними из базовых понятий физики. Вместе с тем физические концепции времени и пространства неразрывно связаны с их философскими интерпретациями, где пространство и время являются атрибутами (всеобщими свойствами) материи.

N.B! В истории философии сформировались две концепции пространства и времени: реляционная и субстанциальная. В реляционных концепциях пространство и время рассматриваются как зависимые от вещей (субстанций). Время – это свойство вещей и тел (т.е. материи), пространство тоже существует как характеристика тела. Чистого пространства и времени нет.

Наряду с реляционными существует и субстанциальные концепции пространства и времени. Согласно им пространство и время являются самостоятельными сущностями, отличными от материи, духа и от вещей.

В первобытности пространство и время находятся еще на уровне предположений, они выглядят как единство наглядных образов и первичных абстракций (восток – там, где восходит солнце, время – там, когда жили). На первом плане оказывается категория пространства, время же не воспроизводилось как нечто необратимое, время представлялось как некие циклические изменения, повторяющиеся через определенный промежуток. Не было разделения на прошлое, настоящее и будущее. Настоящее – было длящимся прошлым, повторением того, что было. Но уже в тот период складываются зачатки субстанциального и реляционного представления о пространстве и времени.

С одной стороны, человек осознавал некую зависимость от пространства и времени. Время течет: течет помимо его воли, его понимания. Вместе с тем были представления, что время – это время его народа, а пространство – как своего (в сравнении с чужим). Переживание времени и пространства как своего соответствует реляционному представлению (язык позволяет относиться субстанциально).

В Античности субстанциальная концепция – у Демокрита, реляционная – у Аристотеля (у него нет чистого времени, а пространство – характеристика некоторого тела). В этот период выделяется ряд фундаментальных свойств пространства и времени:

роблему эфира, упразднив его, и тем радикально изменил классические представления о пространстве и времени, введя понятие «поле».

С одной стороны, древние греки выделяют однородность пространства и времени (равноправие всех его точек) с другой стороны, греки отмечают и неоднородность пространства (Аристотель, например, выделил два подмира – подлунный и небесный – различные по своим характеристикам, живут по разным законам).

Древние греки отмечают также и изотропность пространства и времени (равноправие всех его направлений), на этих свойствах базировалась геометрия Эвклида. С другой стороны, отмечалась также неизотропность пространства. У того же Аристотеля имеется наличие выделенного направления (заметили, что движение, перемещение направлено в сторону Земли, природа направляет тела прежде всего туда).

Выделяют также трехмерность пространства и одномерность времени. Внимание уделяют больше пространству, чем времени, поскольку динамика общества еще невелика. Особое внимание уделяют объему (в скульптуре и архитектуре) что является характеристикой пространства: греческая культура стандартна.

В Средневековье опять доминирует характеристика пространства (динамика общества невелика, чтобы обращать внимание на время). Особое внимание уделяется вертикали, движению сверху-вниз и снизу-вверх, отсюда и церковная иерархия, и готика в архитектуре. Есть выделенная точка в пространстве и выделенное направление. Направление к выделенному месту считалось привилегированным, это связано с закреплением индивида в своей общине. Предпочтение реляционной концепции отдавалось. Время формируется постепенно, существует взгляд на него как на линию, связанный с появлением христианства. Взгляды соответствуют трем точкам в мире, вознесенным во времени. Это настоящее, прошлое и будущее, соответствующие времени: до пришествия Христа, во время Христа, после Христа.

В эпоху Возрождения доминирует категория пространства. Особое внимание уделяется ощущению глубины, переживанию. Появляется понимание индивидуального времени (часы).

В Новое Время категория времени выходит на первый план. Переживание динамики становится доминирующим. С этого периода начинают дорожить временем (время – деньги). Новое Время характеризуется борьбой реляционной и субстанциальной концепций. Постепенно начинает доминировать субстанциальная концепция (например, в механике Ньютона). Существование субстанции порождает время, потом пространство. Время – чистая длительность, равномерно текущая. Пространство – ящик без дна и стенок, куда попадают тела.

Новое время характеризуется попыткой различить объект и субъект – пространство и время. Появляются концепции, где пространство исключительно объективно, а время – субъективно. (Локк: время – характеристика, принадлежащая психологии). Появляются и полностью субъективистские трактовки пространства и времени. (Беркли, Юм – ничего объективного нет, все субъективно, время – последовательность наших ощущений, пространство – их рядоположенность).

В немецкой классической философии наблюдается возрождение реляционной концепции пространства и времени (у Гегеля).

В современной философии пространство – это категория характеризующая протяженность и порядок сосуществования вещей. Время – категория, характеризующая длительность и порядок смены вещей. Пространство и время рассматриваются как свойства субстанции. Нет пространства и времени вне субстанции и тел, нет субстанции и вещей вне пространства и времени, т.е. доминирует реляционная концепция пространства и времени, которая говорит, что чистого пространства и времени нет.

Согласно свойствам субстанции, пространство и время связаны между собой, образуя единое целое – пространственно-временной континуум (целостность пространства и времени). Таким образом, категорию пространства можно вывести из категории времени, а категорию времени из категории пространства, поскольку у категории пространства и времени есть некий общий знаменатель – движение, изменение.

Современная сциентистская философия опирается на достижения Эйнштейновской физики, которая показала, зависимость пространства и времени от движущихся тел. При скоростях, близких к скорости света, время замедляется, и размеры сокращаются. Теория относительности показала, что общее свойство пространства и времени определяется взаимным расположением гравитационных масс. Время тоже течет по-разному, может ускоряться и замедляться.

Привычные для нас пространство и время – это физическое пространство и время, воспринимаемые на макроуровне. Здесь пространство характеризуется трехмерностью, а время одномерно. На этом уровне пространство и время характеризуются однородностью (равноправность всех точек), а пространство еще и изотропностью (равноправность всех направлений)

Если обратиться к микро- или мегауровню, ситуация меняется. Пространство на микроуровне имеет 6 измерений (на уровне элементарных частиц). А на мегауровне возможно 26 (по крайней мере, доказанным фактом является 11-мерное пространство). В микро- или мегамире пространство и время могут быть неоднородными, могут быть выделенные точки пространства, а само пространство может быть неизотропным – иметь выделенное направление движения.

Биология в вопросах пространства и времени имеет определенное своеобразие – в этой отрасли трехмерность пространства соседствует с одно- и двухмерным (например, нуклеиновые кислоты имеют линейчатую форму организации, т.е характеризуются двухмерностью). В биологическом мире наряду с однородностью и изотропностью имеет место и неизотропность пространства, когда становятся выделенными точки и направления – в этом случае становится доминирующей асимметрия, неодинаковость правых и левых форм (например, у вьющихся растений).

Время в биологическом мире тоже неоднородно, точки будущего здесь доминируют над точками прошлого и настоящего, поэтому тела могут развиваться быстрее, что доказывает наличие выделенной точки (устремленность в будущее). Кроме всего прочего, время здесь принципиально необратимо. Поэтому циклический процесс жизни связан с прогрессивным и регрессивным развитием. Биология демонстрирует тесную связь пространства и времени: если живой организм теряет ориентацию в пространстве, то во времени тоже (умирает).

У социального пространства тоже такая специфика: время здесь доминирует над пространством в силу повышенной динамичности социальной системы. Социальное пространство не может измеряться физическими единицами измерения, поскольку это не имманентная, а внешняя характеристика. Различные страны могут проходить одну и ту же эпоху на разных временных промежутках. За один и тот же промежуток различные государства могут проделать разный путь. Здесь время течет медленно, хотя астрономически это может быть тот же период времени. Другими являются и единицы пространства – измеряются степенью напряженности экономических, политических, культурных связей между элементами социального (а не расстояниями на поверхности земли между этими элементами).

В социальной сфере пространство и время также тесно связаны. Если какой-то организм можно ограничить в пространстве, то он перестает развиваться, время становится замкнутым для него, теряет необратимость, двигаясь по кругу.

Пространство и время противоречивы, поскольку во1-х, они есть единство относительного и абсолютного и во2-х, потому что они есть единство прерывности и непрерывности.

Понятия пространства и времени издавна используются в паре друг с другом. Это связано с тем, что и то, и другое выражает упорядоченность, встречающуюся в мире.

Вместе с тем они сильно различаются по смыслу, поскольку смысл понятия времени связан с упорядочиванием событий, которые приходят на смену друг другу (одно после другого), в то время как смысл понятия пространства связан, напротив, с упорядочиванием сосуществующего (одно рядом с другим).

Время чаще всего ассоциируется с проблемой начала мира и его судьбы. Время – одно из самых знакомых человеку свойств нашего мира. И вместе с тем оно имеет репутацию самого загадочного. Загадочность времени связана с его течением, с существованием потока времени. Под течением времени понимают его логическое свойство, заключающееся в том, что настоящий момент, который мы называем «теперь, сейчас», как бы постоянно движется в направлении будущего, увеличивая объем прошлого, оставляемого за собой. По этой причине с начала возникновения философии и наук время отсылается в область Ничто, учитывая трудность его экспериментального исследования.

Пространство же никогда не вызывает такого личностного чувства и обычно представляется более ясным, чем время, за исключением вопроса о размерности пространства, который придает ему облик загадочности. Или тогда, когда нас интересуют размеры мира: является ли Вселенная конечной или бесконечной, ограниченной или безграничной.

Глубокие изменения в истолковании пространства и времени произошли в Новое Время в связи с возникновением и развитием современного естествознания и прежде всего созданием ньютоновской физики. Те свойства времени и пространства, которые сформулированы в классической механике, стали рассматриваться как свойства времени и пространства вообще. Это одномерность для времени и трехмерность для пространства, непрерывность, бесконечность, безграничность, однородность, изотропность, абсолютность (независимость времени и пространства друг от друга, а также независимость от свойств объектов, движущихся во времени и пространства). Сегодня время и пространство в философии рассматриваются совместно, как «присутствие отсутствия», как событие со-бытия.

Свойства времени и пространства существенно влияют на характер протекания процессов. Важнейшим свойством времени и пространства является их однородность.

Однородность пространства означает, что перенос объекта в пространстве не влияет на характер протекания процессов в нем, т.е. любая точка в пространстве физически равноценна. (например, свойства атомов на Земле и на Луне одинаковы при одинаковых условиях.

Однородность времени следует трактовать как неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружающей средой, то для них все моменты времени физически равноценны и любой можно принять за начальный. Однородность пространства и времени обуславливает универсальность законов природы в любой точке Вселенной.

Особой характеристикой пространства является его изотропность: она означает одинаковость свойств пространства по всем направлениям. Это следует понимать в том смысле, что поворот изолированной физической системы как целого не изменяет ее свойств.

В истории науки имеется два различных концептуальных подхода к оценке пространства и времени: в классической (ньютоновской) и релятивистской (эйнштейновской) динамике.

В классической динамике пространство и время считаются абсолютными, т.е. неизменными, вечными, не зависящими от свойств материи или характера движения объектов. Пространство является строго геометрическим (своего рода пустым ящиком, вмещающим все тела в мире). Аналогично представляется и время, абсолютно не зависящее от Материи (вечное мировое время).

У Ньютона В «Математических началах натуральной философии» абсолютное время существует и длится равномерно само по себе, безотносительно к каким-либо событиям. Абсолютное время и абсолютное пространство представляют собой как бы вместилища материальных тел и процессов и не зависят не только от этих тел и процессов, но и друг от друга.

С открытием электромагнитных явлений, после создания релятивистской динамики (теории относительности), абсолютную концепцию пространства и времени заменила релятивистская, где свойства пространства и времени зависимы от свойств материи и скорости движения объектов. Иначе говоря, пространство и время относительны и могут меняться. Но, главное, они взаимосвязаны и неразрывны как единое целое, т.е континуальны, и образуют единый пространственно-временной континуум.

Неевклидовы геометрии. Из школьной программы нам всем известны положения геометрии Евклида. Сравним их с положениями других геометрий, Н.И.Лобачевского и Б.Римана.

Положения геометрий	Евклид	Лобачевский	Риман
Количество прямых, параллельных данной, которые можно провести чрез одну точку	1	Бесконечное	0
Сумма углов треугольника	180°	<180°	>180°
Отношение длины окружности к длине радиуса	π	<π	>π
Мера кривизны пространства	0	<0	>0

Основоположения евклидовой геометрии кажутся нам интуитивно самоочевидными, в то время как основоположения геометрий Лобачевского и Римана бросают вызов пространственной интуиции. Но попробуем понять их логику.

Существует таткой раздел геометрии, как абстрактная геометрия, термины которой (точки, прямые, плоскости и др.) вообще лишены наглядного содержания. «Точка» в рамках абстрактной геометрии задается упорядоченной тройкой действительных чисел (пересечением трех координат); «прямая» - двумя линейными уравнениями, «плоскость» - одним линейным уравнением. Таким образом, в рамках абстрактной геометрии математика продолжает работать даже там, где буксует наше воображение. Допущение всякого рода «немыслимых» пространств здесь означает лишь то, что они поддаются столь же непротиворечивому описанию, как и наглядно представимые.

Существует также интерпретация геометрий в рамках такого раздела геометрии, как физическая геометрия. Последняя позволяет создать наглядные модели пространств Лобачевского и Римана. В физической геометрии линии, которые соответствуют прямым – это геодезические линии. У них с прямыми есть то общее свойство, что геодезические, как и прямые линии, являются кратчайшим расстоянием между двумя точками на поверхности.

Моделью пространства Лобачевского является седловидная поверхность, а моделью Римана – поверхность сферы. Если мы в качестве прямых возьмем геодезические на седловидной поверхности, то мы легко представим себе все указанные в таблице свойства геометрии Лобачевского. А геодезические на поверхности сферы помогут нам представить свойства геометрии Б.Римана.

N.B! Но все же дело обстоит не так просто. Мы легко можем себе представить себе седловидную поверхность, или поверхность сферы, но эти поверхности не являются плоскостями. А между тем неевклидова поверхность представляет собой все-таки некую невообразимую плоскость, в том смысле, что структура одной ее стороны точно похожа на структуру другой ее стороны. Таким образом, пространства Лобачевского остаются наглядно невообразимыми.

Кроме того, поверхность Римана отличается от обычной сферической поверхности еще и тем, что имеет не два, а один полюс. Передвижение от Северного полюса к Южному на Земле будет соответствовать возвращению в ту же самую точку в пространстве Римана.

Между тремя геометриями существует такое немаловажное с точки зрения космологии различие, что пространства Евклида и Лобачевского бесконечны, а пространство Римана – конечно.

N.B! В мире Римана все геодезические лини оказываются замкнутыми. Астронавт, путешествующий по геодезической линии в мире Римана, вернется в конце концов в одну и ту же точку.

Возможно ли установить, какова реальная геометрия Вселенной? В каком мире мы живем – Евклида, Лобачевского или Римана?

N.B! Мы не можем, облетев всю Вселенную, проверить, вернемся ли мы в ту же самую точку. Но у нас есть возможность спроектировать в пространстве очень большой треугольник и измерить сумму его углов. Или спроектировать в пространстве очень большую окружность, измерить отношение длины окружности к длине радиуса.

Те отклонения от свойств евклидовой геометрии, которые связаны с обычной погрешностью, должны совершаться в обе стороны: как в меньшую, так и в большую. Но если отклонения всегда будут совершаться только в одну сторону, то этот факт уже потребует объяснения.

Чтобы ответить на этот вопрос и сделать наши рассуждения более наглядными, воспользуемся моделью, к которой часто прибегают физики и математики – моделью Флатландии – двумерного мира, который населен плоскими, т.е. двумерными существами. Смогут ли двумерные существа догадаться о том, что они живут не на плоскости, а на поверхности сферы?

Плоские существа не могут подняться над своей сферой в третье измерение, однако они построили очень большой треугольник и обнаружили, что сумма его углов всегда больше 180°. Будет ли это основанием для заключения, что их мир – сферический? В двумерном мире этот факт может получить двоякую интерпретацию:

- либо пространство искривлено (мы живем на поверхности сферы, скажут жители Флатландии)

- либо пространство не искривлено, мир все же плоский, и дело не в геометрии, а в физике: в нашем мире действуют какие-то неисследованные силы, которые деформируют наши измерительные приборы.

Согласно Анри Пуанкаре, спор такого рода неразрешим. Иными словами, в нашем мире сила и кривизна пространства неразличимы. Поэтому, если обнаруживаются отклонения от евклидовой геометрии, то, по мнению А.Пуанкаре, всякий раз возможна альтернатива:

- либо геометрия мира неевклидова; этот путь описания связан с более сложной геометрией, но зато с более простой физикой;

- либо геометрия мира евклидова; но тогда придется ввести дополнительные законы физики, например, законы оптики, объясняющие искривление световых лучей.

Таким образом, физика и геометрия дополнительны: усложнение геометрической картины мира приводит к упрощению физики и наоборот.

Хотя Пуанкаре считал, что спор такого рода неразрешим, но он предсказывал, что физики всегда предпочтут второй путь и никакое усложнение физики не будет слишком дорогой платой за то, чтобы сохранить евклидову геометрию. Однако вопреки предсказанию Пуанкаре Эйнштейн избрал именно первый путь – путь геометризации физики.

N.B! В общей теории относительности сила гравитации рассматривается как проявление кривизны пространственно-временного континуума. В ОТО движение планет вокруг солнца объясняется не тем, что существует какая-то сила, которая тянет или толкает планеты к солнцу, а тем, что планеты свободно кочуют вдоль своих геодезических линий, который в искривленной структуре пространства соответствуют наипрямейшему из возможных путей.

Геометризация современной физики. Понятие «сила» в современной физике связывается с законами сохранения симметрии. А понятие симметрии явно или неявно отсылает к геометрии если не трехмерного пространства, то пространств с большей размерностью.

В 1921 г. польский физик Т.Клауца обнаружил, что в пятимерном континууме происходит «математическое чудо»: уравнения гравитации Эйнштейна и уравнения электромагнитного поля Максвелла для пятимерного континуума совпадают. В 1926 г. шведский физик О.Клейн дополнил теорию Клауцы, предложив объяснение того, почему мы не замечаем пятого измерения: дело в том, что оно свернуто в очень малых масштабах. То, что мы считаем просто «точкой» пространства, является на самом деле не точкой, а крохотной петелькой с периметром, близким к 10^-32.

Но на этом геометризация физики не закончилась. Еще в 1960-е гг. американский физик Д.Уилер предложил теорию, согласно которой не только «силы», но и частицы вещества представляют собой «кочки» и «ухабы» пустого пространства.

N.B! Заряженная частица в концепции Уилера рассматривается как сечение крохотного «тоннеля», который расположен в ненаблюдаемом измерении пространства (т.н. теория «кротовых нор»). Сегодня концепция Уилера может обрести «новое дыхание» в рамках концепции 11-мерного континуума. Таким образом, по афористичному выражению одного физика, «весь мир, в сущности, есть проявление извилистого ничто».

В 1970-1980-е гг. возобновилась разработка теории Клауцы-Клейна, которая была уже достроена до картины 11-мерного континуума. Одиннадцатимерный континуум позволил свести воедино не только теории гравитации и электромагнетизма, но и теории всех четырех фундаментальных видов взаимодействия. Дополнительные семь измерений свернуты в столь малых масштабах, что мы не замечаем их.

N.B! Теория 11-мерного континуума являет собой пример радикальной геометризации физики, о которой так мечтал Эйнштейн. В 11-мерном мире не остается никаких «сил», а существует лишь геометрия искривленного 11-мерного пространства, в которой частицы свободно кочуют вдоль своих геодезических линий.

Понятие о гиперпространстве. А.Эйнштейн мечтал о построении единой теории поля, в которой не только гравитация, но и все остальные виды взаимодействий рассматривались бы как проявления искривления пространственно-временного континуума. Однако для осуществления этой цели четырехмерный континуум, которым оперировала физика А.Эйнштейна, оказался недостаточным. Современные теории «великого объединения должны оперировать пространствами с размерностью более четырех. Так родилась идея гиперпространства.

Идея гиперпространства родилась в рамках аксиоматического подхода к геометрии и означает лишь то, что пространства с дополнительным количеством измерений могут быть описаны непротиворечиво, даже если не могут быть наглядно представлены.

N.B! В некоторых случаях в качестве точек могут рассматриваться такие семантические единицы, которые требуют не трех, а более координат. Это можно пояснить на примере четырехмерного континуума А.Эйнштейна, в котором четвертым измерением является время. Дело в том, что физика Эйнштейна оперирует не вещами, а событиями. Для того, чтобы определить положение вещи, достаточно трех координат. Но для события этого мало. Например, вам нужно встретиться с другом. Вы задаете улицу (длина), номер дома (ширина), квартиру (высота) и еще четвертую координату – время встречи.

Могут быть и более сложные семантические единицы, для описания которых требуется пять, шесть, семь и более параметров. Однако по мере возможностей математики допускают построение моделей, которые позволили бы отчасти наглядно представить гиперпространство. Например:

1) В трехмерном мире можно провести три взаимно перпендикулярные линии: длину, ширину и высоту. В четырехмерном пространстве должен существовать четвертый перпендикуляр в некоем непостижимом для нас направлении;

2) Точка может быть представлена как сечение линии, линия – как сечение плоской фигуры, плоскость – как сечение трехмерного тела. По аналогии можно предположить, что все видимые тела являются сечениями неких невидимых для нас четырехмерных гипертел;

3) четырехмерный мир может быть представлен с помощью модели Флатландии – т.е. по аналогии с явленностью трехмерного мира в мире двухмерном. Так, в четырехмерном мире мы смогли бы увидеть все 6 граней трехмерного куба, а также его внешнюю и внутреннюю поверхности одновременно(по аналогии с тем, как мы воспринимаем квадрат в нашем трехмерном мире; смогли бы проникнуть в трехмерное помещение, не открывая дверей и окон, а затем таким же непостижимым образом выйти оттуда: развязать трехмерный узел, концы которого закреплены и т.д. но самым важным с точки зрения физики является то, что в гиперпространстве открываются новые возможности симметрии. Например, в нашем мире правый и левый ботинок обладают только зеркальной симметрией, но не совмещаются при повороте. В четырехмерном мире возможно повернуть наш правый ботинок таким образом, что он станет левым.

Парадокс причинности. Оперируя гиперпространством, теория относительности не запрещает путешествий в прошлое. Согласно СТО при скоростях, близких к световой, длины тел уменьшаются, а течение времени замедляется. Фотоны света существуют как бы в вечном настоящем. Может ли это значить, что если скорость тела превысит световую с, то время будет течь из будущего в прошлое?

Теория относительности основывалась на том, что с является предельной скоростью во Вселенной, однако в современной физике рассматриваются некоторые концепции, в которых допускается превышение скорости света.

N.B! Например, предсказывается существование мира тахионов, для которых скорость света является не верхним порогом, а нижним. Тахионы по отношению к событиям нашего мира движутся в прошлое. Однако сообщение с миром тахионов принципиально невозможно.

Можно упомянуть также о концепции «червячных дыр» Уилера, которая предсказывает существование кратчайших путей во Вселенной, спрямляющих путь в искривленном пространстве. Путь через такую «червячную дыру» может совершиться со скоростью, превышающей световую (по аналогии с тем, как тень самолета, движущаяся по пересеченной местности, имеет большую скорость, чем сам самолет, летящий по прямой).

Возможность возврата в прошлое рассматривается также в некоторых моделях риманова пространства. Возможно, что все геодезические линии римановой Вселенной являются замкнутыми не только в пространственном, но и во временном отношении. В таком случае астронавт, путешествующий в мире Римана, вернется не только в ту же самую точку пространства, но и времени, т.е. во время старта.

Фундаментальная наука может допустить возможность сколь угодно странных и необычных событий, кроме одного – парадокса, т.е. события, логически противоречивого. Однако допущение возврата в прошлое все же приводит к глубокому парадоксу – парадоксу причинности.

N.B! Допустим, некто, вернувшись в свое прошлое, убил там своего деда, когда тот был еще юнцом и не успел оставить потомства. Иными словами, попав в прошлое некто может совершить там деяния, в результате которых он сам е появится в будущем. Здесь мы и сталкиваемся с самопротиворечивым событием.

Для того, чтобы избежать парадокса причинности, была предложена концепция ветвящейся Вселенной Х.Эверета. Каждый раз, когда кто-то попадает в прошлое, Вселенная расщепляется на два параллельных мира, в каждом из которых события текут по-своему. В модели Х.Эверета Вселенная каждый микромомент времени ветвится на бесчисленные параллельные микромиры, каждый из которых представляет собой некую допустимую комбинацию микрособытий.

N.B! Например, если кто-то, вернувшись в прошлое, убил там Наполеона, то появляются две параллельные Вселенные: одна – с Наполеоном, другая – без него. Мир Эверета чрезвычайно запутан, но зато в нем нет самопротиворечивых событий.

Исходя из этого формулируется своеобразное мировоззренческое кредо современной физики: «Все возможное существует». Однако теория, уравнивающая в правах возможное и реально существующее, оказывается весьма подозрительной.

В современной физике возникает попытка критической переоценки той «геометризации» времени, которая господствовала в теоретической механике. Возможно, время не есть четвертое измерение пространства, как считал Эйнштейн, а время – это время? Так что же такое время?

Главное различие между временем и пространством может быть выражено таким понятием, как понятие необратимости. Необратимость означает, что ни одно событие в мире нельзя повторить дважды.

N.B! Даже если вы произносите те же слова, делаете те же жесты, совершаете те же поступки, то это все-таки будут другие слова, другие жесты, другие поступки.

Можно даже сказать так: лишь поскольку в мире существует необратимость, постольку существует и время как нечто отличное от пространства. Каков же физический смысл необратимости?

Одно из объяснений предлагает термодинамика. Согласно второму закону термодинамики, который называют также законом возрастания энтропии, все события могут развиваться только в одну сторону: от состояний с меньшей энтропией к состояниям с большей энтропией.

Второй закон термодинамики позволяет провести различие между более ранними и более поздними состояниями не субъективным образом, а объективным. У всякого события есть возраст: более поздние состояния отличаются от более ранних большей энтропией. Таким образом, будущее от прошлого отделено энтропным барьером. Связь между законом возрастания энтропии и направлением времени называется термодинамической стрелой времени.

N.B! Примером может служить растворение капли чернил в стакане с водой; тепло может передаваться только от более нагретых тел к менее нагретым телам, но не наоборот.

Другое объяснение предлагает электродинамика. Оно связано с характером распространения электромагнитных волн. Его принято называть электромагнитной стрелой времени. В нашем мире наблюдаются только волны, которые распространяются от точечного источника в бесконечность – т.н. запаздывающие волны, – но не наоборот. Противоположного процесса, т.е. волн, сходящихся из бесконечности к точечному источнику – т.н. опережающие волны – до сих пор не наблюдалось.

N.B! Между тем, теория Дж. Максвелла их не отрицает возможности их существования. К примеру, предвидение событий может быть проявлением опережающих волн. Поэтому отсутствие в мире опережающих волн – это просто установленный на опыте факт, который сам еще требует объяснения.

Еще одно объяснение необратимости получило название космологической стрелы времени. Расширение Вселенной, констатируемое космологами, лежит в основе той глобальной асимметрии мира, которую мы воспринимаем как необратимость времени.

N.B! Но почему происходит расширение Вселенной? Этот факт, к сожалению, остается одной из космологических загадок.

Лекция 7. Постнеклассическая физическая картина мира

1. Объединение физики.

2. На пути построения единой теории поля: понятие симметрии. Антропный принцип.

3. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции.

4. Материя и уровни ее организации.

Объединение физики. В начале XX века в физике появились две основополагающие теории ― общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий ― сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

N.B! Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодейст­вий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких теорий.

N.B! Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

N.B! Учеными разрабатываются теории, затрагивающие какую-либо одну область науки. Например, в химии можно рассчитывать взаимодействия атомов, не зная внутреннего строения атомного ядра. Но ученые надеются на то, что, в конце концов, будет найдена полная, непротиворечивая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений.

Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии.

Надежды на построение такой теории со временем возрастают, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной. Из физики мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях: слабых, сильных, электромагнитных и гравитационных. Первые три взаимодействия могут быть объединены, но такая теория неудовлетворительна, потому что она не включает гравитацию.

Основная проблема построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т.е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности.

Другие же теории связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего, общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Такие теории создавались в последнее время, но у них был весьма существенный недостаток: в них возникали бесконечные значения энергий, масс. Эти «бесконечности» пытались убрать чисто техническим (математическим) путем, называемым перенормировкой. Однако, у этого метода есть серьезный недостаток: он не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил, их приходится подгонять под экспери­мент. В результате мы имеем теорию, в которой кривизна пространства-времени должна быть бесконечной, несмотря на то, что эта величина явно конечна.

Примерно в 1976 г. появилась надежда на решение проблемы с бесконечностями. Это теория супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица, с помощью которой гравитационное поле взаимодейс­твует) объединяется с некоторыми новыми частицами и тогда все эти частицы можно рассматривать как разные виды одной и той же «суперчастицы». Таким образом, осуществляется объединение частиц материи.

N.B! Однако, для того, чтобы выяснить, все ли бесконечности устранены, потребовалось проделать такое количество громоздких и сложных расчетов, что ими никто не стал заниматься.

В 1984 г. общее мнение ученых изменилось в пользу так называемых струнных теорий М.Грина, Дж.Шварца, Э.Виттена. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры типа бесконечно тонких кусочков струны, не имеющие никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободными, либо соединенными друг с другом. Струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Тогда ее движение в пространстве-времени изображается двухмерной поверхностью, которая называется мировым листом. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец.

N.B! В теориях суперструн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных видах этих теорий эти бесконечности сократятся. Но струнным теориям присуща более серьезная трудность: они не противоречивы лишь в десяти- или двадцатишестимерном пространстве, а не в обычном трехмерном.

Теория струн затрагивает самые важные вопросы мироздания и является более разработанной современной попыткой ответа на вопросы о природе фундаменталь­ных взаимодействий. Однако, несмотря на огромный интерес к теории и замечательные достижения, следует сказать, что основные проблемы здесь остаются открытыми. И главная проблема - отсутствие экспериментальных предсказаний.

N.B! Как пишут российские физики-теоретики И.Арефьева и И.Волович в предисловии к первому тому книги пионеров теории суперструн М.Грина, Дж.Шварца, Э.Виттена «Теория суперструн»: “Мы можем вложить всю информацию об элементарных частицах в теорию суперструн, но сама теория струн не дала пока никаких экспериментальных предсказаний”.

Если бы нам удалось открыть теорию Вселенной, мы, к сожалению, никогда не могли бы быть уверенными в том, что найденная теория действительно верна, потому что никакую теорию нельзя доказать. Но если бы открытая теория была математически непротиворечива и если бы ее предсказания всегда совпадали с экспериментом, то мы могли бы не сомневаться в ее правильности. Кроме того, открытие такой теории произвело бы революцию в естествознании.

Однако, даже если бы нам действительно удалось открыть единую теорию, это не означало бы, что мы смогли бы предсказывать будущее. На то есть две причины. Во-первых, наше предсказание будет ограничиваться квантовомеха­ническим принципом неопределенности, во-вторых, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию.

Но, как бы то ни было, полная и непротиворечивая единая теория - это лишь первый шаг к глобальному мышлению. Наша цель - полное понимание всего происходящего вокруг нас и в нас самих.

На пути построения единой теории поля. Понятие симметрии. Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они существуют? Почему мы ощущаем только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения «свернуты» в очень малое пространство, размером порядка единицы, деленной на единицу с тридцатью нулями доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем. Но тогда возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все измерения должны свернуться в маленький шарик? Ответ на этот вопрос можно получить, лишь уяснив принципы симметрии.

В 1918 г Эмми Нетером было доказано, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. Из этого следует, что закон сохранения энергии является следствием симметрий, существующих в реальном пространстве-времени.

N.B! В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях и выделять во всей совокупности преобразований такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.

Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований. В современной физике употребляется понятие калибровочной симметрии.

N.B! Под калибровкой железнодорожники понимают переход с узкой колеи на широкую. В физике под калибровкой первоначально понималось также изменение уровня или масштаба. В специальной теории относительности законы физики не изменяются относительно переноса или сдвига при калибровке расстояния. В калибровочной симметрии требование инвариантности порождает определенный конкретный вид взаимодействия. Следовательно, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос, почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия.

Калибровочная симметрия применяется для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения. Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.

N.B! Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия. Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказывает существование, как минимум, одного скалярного бозона.

В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий: гравитационного, сильного, слабого и электромагнитного. Все они имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями, являющимися различными представлениями групп Ли. Это позволяет предположить существование первичного суперсимметричного поля, в котором еще нет различия между типами взаимодействий. Различия, типы взаимодействий, являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума.

N.B! Механизм спонтанного нарушения симметрии, который встречается в разнообразных физических ситуациях, получил широкое распространение в квантовой теории поля. Было показано, что в калибровочных теориях этот механизм может приводить к появлению конечной массы у безмассовых калибровочных частиц (т.н. эффект Хиггса). Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия (великое объединение).

Эволюция Вселенной предстает тогда как синергетический самоорганизующийся процесс: в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «Большого Взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. Утверждение самоорганизации систем через самопроизвольное нарушение исходного типа симметрии в точках бифуркации и есть принцип синергии.

„

N.B! Между тем, теория Дж. Максвелла их не отрицает возможности их существования. К примеру, предвидение событий может быть проявлением опережающих волн. Поэтому отсутствие в мире опережающих волн – это просто установленный на опыте факт, который сам еще требует объяснения.

Еще одно объяснение необратимости получило название космологической стрелы времени. Расширение Вселенной, констатируемое космологами, лежит в основе той глобальной асимметрии мира, которую мы воспринимаем как необратимость времени.

N.B! Но почему происходит расширение Вселенной? Этот факт, к сожалению, остается одной из космологических загадок.

Лекция 7. Постнеклассическая физическая картина мира

1. Объединение физики.

2. На пути построения единой теории поля: понятие симметрии. Антропный принцип.

3. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции.

4. Материя и уровни ее организации.

Объединение физики. В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

N.B! Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодейст­вий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких теорий.

N.B! Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

N.B! Учеными разрабатываются теории, затрагивающие какую-либо одну область науки. Например, в химии можно рассчитывать взаимодействия атомов, не зная внутреннего строения атомного ядра. Но ученые надеются на то, что, в конце концов, будет найдена полная, непротиворечивая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений.

Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии.

Надежды на построение такой теории со временем возрастают, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной. Из физики мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях: слабых, сильных, электромагнитных и гравитационных. Первые три взаимодействия могут быть объединены, но такая теория неудовлетворительна, потому что она не включает гравитацию.

Основная проблема построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т.е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности.

Другие же теории связаны с квантовой механикой. Поэтому прежде всего, общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Такие теории создавались в последнее время, но у них был весьма существенный недостаток: в них возникали бесконечные значения энергий, масс. Эти «бесконечности» пытались убрать чисто техническим (математическим) путем, называемым перенормировкой. Однако, у этого метода есть серьезный недостаток: он не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил, их приходится подгонять под экспери­мент. В результате мы имеем теорию, в которой кривизна пространства-времени должна быть бесконечной, несмотря на то, что эта величина явно конечна.

Примерно в 1976 г. появилась надежда на решение проблемы с бесконечностями. Это теория супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица, с помощью которой гравитационное поле взаимодейс­твует) объединяется с некоторыми новыми частицами и тогда все эти частицы можно рассматривать как разные виды одной и той же «суперчастицы». Таким образом, осуществляется объединение частиц материи.

N.B! Однако, для того, чтобы выяснить, все ли бесконечности устранены, потребовалось проделать такое количество громоздких и сложных расчетов, что ими никто не стал заниматься.

В 1984 г. общее мнение ученых изменилось в пользу так называемых струнных теорий М.Грина, Дж.Шварца, Э.Виттена. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры типа бесконечно тонких кусочков струны, не имеющие никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободными, либо соединенными друг с другом. Струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Тогда ее движение в пространстве-времени изображается двухмерной поверхностью, которая называется мировым листом. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец.

N.B! В теориях суперструн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных видах этих теорий эти бесконечности сократятся. Но струнным теориям присуща более серьезная трудность: они не противоречивы лишь в десяти- или двадцатишестимерном пространстве, а не в обычном трехмерном.

Теория струн затрагивает самые важные вопросы мироздания и является более разработанной современной попыткой ответа на вопросы о природе фундаменталь­ных взаимодействий. Однако, несмотря на огромный интерес к теории и замечательные достижения, следует сказать, что основные проблемы здесь остаются открытыми. И главная проблема - отсутствие экспериментальных предсказаний.

N.B! Как пишут российские физики-теоретики И.Арефьева и И.Волович в предисловии к первому тому книги пионеров теории суперструн М.Грина, Дж.Шварца, Э.Виттена «Теория суперструн»: “Мы можем вложить всю информацию об элементарных частицах в теорию суперструн, но сама теория струн не дала пока никаких экспериментальных предсказаний”.

Если бы нам удалось открыть теорию Вселенной, мы, к сожалению, никогда не могли бы быть уверенными в том, что найденная теория действительно верна, потому что никакую теорию нельзя доказать. Но если бы открытая теория была математически непротиворечива и если бы ее предсказания всегда совпадали с экспериментом, то мы могли бы не сомневаться в ее правильности. Кроме того, открытие такой теории произвело бы революцию в естествознании.

Однако, даже если бы нам действительно удалось открыть единую теорию, это не означало бы, что мы смогли бы предсказывать будущее. На то есть две причины. Во-первых, наше предсказание будет ограничиваться квантовомеха­ническим принципом неопределенности, во-вторых, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию.

Но, как бы то ни было, полная и непротиворечивая единая теория - это лишь первый шаг к глобальному мышлению. Наша цель - полное понимание всего происходящего вокруг нас и в нас самих.

На пути построения единой теории поля. Понятие симметрии. Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они существуют? Почему мы ощущаем только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения «свернуты» в очень малое пространство, размером порядка единицы, деленной на единицу с тридцатью нулями доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем. Но тогда возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все измерения должны свернуться в маленький шарик? Ответ на этот вопрос можно получить, лишь уяснив принципы симметрии.

В 1918 г Эмми Нетером было доказано, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. Из этого следует, что закон сохранения энергии является следствием симметрий, существующих в реальном пространстве-времени.

N.B! В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях и выделять во всей совокупности преобразований такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.

Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований. В современной физике употребляется понятие калибровочной симметрии.

N.B! Под калибровкой железнодорожники понимают переход с узкой колеи на широкую. В физике под калибровкой первоначально понималось также изменение уровня или масштаба. В специальной теории относительности законы физики не изменяются относительно переноса или сдвига при калибровке расстояния. В калибровочной симметрии требование инвариантности порождает определенный конкретный вид взаимодействия. Следовательно, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос, почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия.

Калибровочная симметрия применяется для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения. Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.

N.B! Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия. Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказывает существование, как минимум, одного скалярного бозона.

В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий: гравитационного, сильного, слабого и электромагнитного. Все они имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями, являющимися различными представлениями групп Ли. Это позволяет предположить существование первичного суперсимметричного поля, в котором еще нет различия между типами взаимодействий. Различия, типы взаимодействий, являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума.

N.B! Механизм спонтанного нарушения симметрии, который встречается в разнообразных физических ситуациях, получил широкое распространение в квантовой теории поля. Было показано, что в калибровочных теориях этот механизм может приводить к появлению конечной массы у безмассовых калибровочных частиц (т.н. эффект Хиггса). Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия (великое объединение).

Эволюция Вселенной предстает тогда как синергетический самоорганизующийся процесс: в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «Большого Взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. Утверждение самоорганизации систем через самопроизвольное нарушение исходного типа симметрии в точках бифуркации и есть принцип синергии.

Лекция 9. Геохронологические концепции естествознания

1. Современные концепции строения Земли и геодинамики.

2. Планетная космогония.

3. Строение Земли.

4. Геодинамические процессы.

Земля – колыбель и обитель человечества, поэтому геологические исследования насущно важны для людей. Изучать нашу планету не только интересно, но и крайне важно для человеческого общества по разным соображениям: экономическим, экологическим, биосоциальным. Современная планетология должна дать ответы на два коренных вопроса:

о механизме образования планетных систем (типа солнечной);

и об их судьбе в обозримом будущем.

Основополагающим концептуальным фактором здесь становится геологическое время Земли, причем речь идет о планетарном времени в рамках геохронологических процессов и явлений. Геологические события могут быть кратковременными, разовыми – типа землетрясений – извержений вулканов, падений метеоритов, а могут представлять собой процессы продолжительностью в тысячи, миллионы и даже миллиарды лет. Выработка концепции геологического времени затруднена еще и тем, что время жизни индивидуума (да и всего человечества) ничтожно мало по сравнению с возрастом планеты или периодами протекания геологических изменений; чтобы извлечь информацию о прошлом Земли, нужны совершенно особые методы. Во-первых, воссоздание истории планеты с момента ее образования осложняется тем, что следов этого периода (в виде минералов, пород, осадков) практически не сохранилось. Во-вторых, естествознание выявляет универсальные законы, а Земля и Вселенная – уникальны, поэтому все заключения о происхождении и развитии космопланетарных явлений можно считать не закономерностями, а лишь моделями, возможными вариантами объяснений.

История формирования и развития Земли – одно из главнейших направлений всего комплекса наук о планете. Решение проблемы происхождения Земли и других планет смыкается, с одной стороны, с проблемой происхождения звезд (в первую очередь Солнца), с другой – с возникновением самой жизни, живой материи.

Решение задачи научной реконструкции происхождения и эволюции Земли оказалось даже сложнее, чем установление закономерностей формирования звезд. Решающие прорывы стали возможны лишь с началом эры космических исследований посредством межпланетных зондов, искусственных спутников Земли, орбитальных станций, а также достижений астрофизики, геофизики и других наук.

Планетология рассматривает Землю как своеобразную самоорганизующуюся систему, в которой непрерывно совершаются сложные, взаимосвязанные процессы, охватывающие неживую и живую формы материи. Данные разных наук позволяют судить о Земле как гигантской геологической системе, функционирующей в режиме определенных циклов, т.е внутрипланетарные процессы – ритмы Земли – это периодические изменения. Основные компоненты планеты, такие как атмосфера, гидросфера, литосфера, мантия и ядро, - это единая система, в которой осуществляются процессы регулярного обмена энергией и веществом между ее составляющими. Это позволяет рассматривать геологическое время Земли не просто как хронологическую последовательность событий, а как повторяющееся, упорядоченное чередование крупномасштабных временных интервалов, в течение которых происходят качественно родственные геологические процессы.

Геохронологические концепции эволюции Земли. Земля – колыбель разума, и сама она является объектом изучения с глубокой древности. Науки о ней берут свое начало в Древней Греции, куда зачатки астрономических знаний пришли во II-м тысячелетии до н.э. из Вавилона, Египта и Индии.

N.B! Во IIв. до н.э. Эратосфен из Александрии впервые определил радиус планеты, измерив его с поразительной для того времени точностью: 6300 км (всего на 1 % меньше истинного значения).

История наук о Земле насчитывает три этапа:

1) от античности до середины ХVI.- донаучный период

2) вторая половина ХVII – XVIII вв. – становление научной геологии.

3) XIX – XXвв. – современная комплексно-дисциплинарная геология, в которой различают

Классическую геологию, основанную на классической динамике (И.Ньютона и др.) – до 60-х г. ХХ в. и новейшую (постклассическую) – после 60-х гг.

На начальной стадии становления геологии и географии нельзя говорить о формировании собственно науки. Наблюдения носят характер созерцаний, их интерпретация, объяснения – чисто умозрительные, гипотетические. Тем не менее, уже в это время были высказаны гениальные догадки и предположения, проведены измерения размеров Земли, Луны и Солнца, создавшие главное концептуальное направление Космологии. Обсуждаются три ведущих идеи:

1. О шарообразности Земли, на что указывают наблюдения лунных и солнечных затмений;

2. Об изменяемости поверхности планеты, смещениях суши и моря при активной роли вулканов;

3. О климатических различиях в регионах и зонах.

Уровень геологических знаний кардинально меняется со времени создания классической механики. Геология осваивает не только приборно-экспериментальный арсенал физики (компас, телескоп, микроскоп и др.), но, главное, овладевает научно-теоретическим потенциалом: законом всемирного тяготения, теорией колебания физического маятника (Х.Гюйгенса). Это позволило по характеристикам гравитационного поля Земли судить о ее форме и внутреннем строении, дать объяснение морским приливам, объяснить закономерности движения планет солнечной системы и т.д. И хотя в ХVII в. геология еще не сложилась в самостоятельную отрасль, не было профессиональных геологов, но уже появились ученые, которые сумели вычленить и указать на своеобразие именно геологических идей и концепций. Это прежде всего Н.Стено, биолог и геолог, создатель структурной геологии, и М.В.Ломоносов, физик, химик и геолог, впервые установивший роль внутреннего тепла Земли, поднятие и опускание суши и др.

Основные направления научной геологии. Научная геология начинается с конца XVIIв., чему способствовали успехи в биостратиграфии и петрографии (науки о составе и происхождении горных пород, их минеральном и химическом составе).

N.B! Стратиграфия изучает осадочные породы по возрасту и времени их образования, по ее результатам осуществляется геологическое картирование, структурные разрезы пород.

Развитие геологии шло через последовательность различных концепций и гипотез, с помощью которых ученые пытались объяснить собранные факты и наблюдения.

Исторически первой, по-видимому, сформировалась концепция нептунизма, создателем которой был немецкий геолог А.Вернер. Согласно ей, все горные породы образовались из осадков Мирового океана.

N.B! Эта гипотеза правильно объясняла многочисленные факты «послойной» структуры пород в Германии, Чехии. Однако вскоре обнаружились ее слабые места. В частности, согласно вернеровской последовательности формирования базальтовых пород должен залегать на угольных пластах, а фундаментом всех пород должны быть граниты. Открытие базальтов, покоившихся на гранитных слоях противоречило теории нептунизма, и вскоре от нее отказались в пользу новой концепции – плутонизма.

Творцом другой гипотезы – плутонизма – был шотландский ученый-натуралист, создатель современной геологии Джеймс Геттон. Он полагал, что источником всех геологических процессов на Земле является ее внутреннее тепло, вызывающее извержения вулканов, землетрясения и т.д. Иначе говоря, истоки всех геодинамических процессов – в ее мантии.

N.B! Самые прочные базальтовые породы – это застывшая лава. Внутреннее тепло – причина дегазации Земли, источник образования рудных ископаемых.

В обеих рассмотренных концепциях динамическая активность планеты связывается лишь с одной из ее геооболочек: гидросферой или мантией. Такая избирательность противоречит и системному подходу, и реальному положению вещей. Поэтому французский зоолог и геолог Ж.Кювье отказался о них в пользу более общего принципа, названного катастрофизмом. Анализируя смену фауны по геологическим эпохам, он обратил внимание на резкие отличия окаменелостей и остатков, содержащихся в последовательно залегающих слоях. Такие скачки он объяснил воздействием глобальных катастроф, полагая, что животные не изменяются эволюционно, а возникнув, существуют в первозданном виде, вплоть до вымирания.

Против этой теории решительно выступили униформисты, возглавляемые Ч.Лайелем. Лозунг униформизма (от лат. uniformis -«единообразие»): «настоящее – ключ к прошлому».

N.B! Это положение трактовалось так, что геологические явления в прошлом и настоящем – одинаковы. Однако перед лицом явных противоречий реалиям униформисты стали интерпретировать его иначе: на основе изучения современных геологических феноменов, применяя сравнительно-исторический метод, можно достоверно судить о геологических процессов в прошлом.

Геологическое прошлое отличается от геологического настоящего, но они едины, поскольку законы, действующие в природе, универсальны и однозначны: «Изменчивы явления, но не законы». Такое направление униформизма прозвали актуализмом.

N.B! Актуалистам XIX в.была чужда мысль о возможной изменчивости самих законов, как всего лишь ступеней познания. Большинство из них отрицали диалектику развития и придерживались взглядов о первоначальном божественном акте творения.

Вершинной вехой в концептуальных подходах геологических наук явилась теория эволюции. Основатели эволюционизма Ж.Б.Ламарк и Ч.Дарвин не признавали божественного вмешательства в историю Земли, для них более важным было выявить ход и направленность саморазвития планеты – эволюции ее структуры, динамики, вещественного содержания. При таком подходе все предыдущие концепции выглядели лишь как односторонние попытки объяснять геопроцессы влиянием одного-единственного фактора. К началу ХХ в. концепция эволюционизма стала доминирующей в геологии, и остается такой до наших дней. Ее основная задача – тщательная разработка теоретических моделей, теорий, учитывающих эволюцию как каждой геосферной оболочки, так и их взаимодействие.

Особой внимание сейчас уделяется твердой оболочке планеты – литосфере. С ее изучением связано одно из ведущих направлений эволюционизма – мобилизм, базирующийся на фактах подвижности (дрейфа) островов, дна океана, а также континентов. Первыми гипотезу мобилизма выдвинули английский геофизик О.Фишер и немецкий геофизик А.Вегенер. но для ее убедительного подтверждения у них не хватало фактического материала. Лишь в 50-х годах ХХ в. идея дрейфа континентов получает опытное обоснование в работах американского геолога Г.Хесса и геофизика Р.Дитца. Их концепция получила название неомобилизма. Согласно их расчетам, океаническая кора расширяется и погружается в мантию в зонах глубоководных желобов, а континенты дрейфуют под действием конвективных течений магмы. Постепенно неомобилизм трансформировался в концепцию тектоники литосферных плит, в рамках которой не только описывается движение плит, но и устанавливаются его причины.

N.B! Итак, к концу 70-х гг. прошлого века в науках о Земле сложилась ситуация, которую можно охарактеризовать следующими особенностями:

- Существенно возрос теоретический уровень геологии, ее возможности научного объяснения причин геологических явлений;

- Геология становится междисциплинарным комплексом географических, геохимических, геобиологических и др. знаний;

- Значительно обогатился фактический арсенал геологических знаний, позволяющий выработку теорий глобальной эволюции Земли;

- Динамика планеты рассматривается как результат взаимодействия геосферных оболочек.

Концепция глобальной эволюции Земли лучше любой другой позволяет интерпретировать сущность большинства геологических явлений и остается ведущей в комплексе наук о планете.

Планетная космогония. Учение об эволюции Солнца и планет солнечной системы прошло сложный путь формирования через разнообразные гипотезы: вихревую (Р.Декарта), приливную (Бюффона, 1745; Джинса 1916) и др. Предшественниками современного подхода были философ И.Кант и математик Лаплас (ХVIIIв.), а решающий вклад внес О.Ю.Шмидт. Гипотеза И.Канта-П.Лапласа о происхождении Солнца и планет из единого холодного газово-пылевого облака получила развитие в трудах О.Ю.Шмидта, О.Хойла и др. и утвердилась в современной космогонии.

Почти до конца 80-х годов нашего века раннюю историю нашей планетной системы приходилось воссоздавать лишь на основе данных о ней самой. И только к 90-м годам стали доступны для наблюдений невидимые ранее объекты - газопылевые диски, вращающиеся вокруг некоторых молодых звезд, сходных с Солнцем.

Газопылевую туманность, в которой возникли планеты, их спутники, мелкие твердые тела, в космогонии называют протопланетным (или допланетным) облаком. Это облако имело уплощенную, чечевицеобразную форму, поэтому его называют еще диском. Ученые полагают, что и этот диск, и Солнце образовались из одной и той же вращающейся массы межзвездного газа - протосолнечной туманности.

N.B! Наименее изучена в космогонии самая ранняя стадия происхождения Солнечной системы - выделение протосолнечной туманности из гигантского родительского молекулярного облака, принадлежащего Галактике.

В 40-х годах академик О.Ю.Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Земли и других планет из холодных твердых допланетных тел - планетезималей.

Планетезималь (от англ. planet - планета и infinitesimal - бесконечно малый) - тело, представляющее собой промежуточную ступень формирования планеты из протопланетного газово-пылевого облака. Допланетный рой представлял собой сложную систему большого числа тел-планетезималей.

Планетезимали – это тела, по размеру близкие к астероидам. В солнечной системе до наших дней сохранился их реликтовый «рой» - пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера, где насчитывается около 5 тысяч этих «микропланет». Суммарная масса их не превышает 0,001 массы Земли, поэтому из них никогда не сможет сформироваться планета.

По современным представлениям Солнце и все космические тела возникли из единого газопылевого облака. Вначале основная часть вещества собралась в центре облака и возникла звезда – Солнце. Из остатков, путем гравитационного слипания, образовались планеты. На создание Солнца ушло около 0,9 массы вещества протопланетного облака. Оно, сжимаясь, ускоряло вращение, вытягиваясь в дископодобный объем, который затем распался на кольцевые зоны. В этих зонах происходило слипание вещества в планетезимали.

Возраст Солнца оценивается в 4,7 млрд. лет – с момента начала термоядерного синтеза.

N.B! Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5-4,6 млрд. лет. Столь же стары и рано затвердевшие части Лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд. лет назад. Тогда началась геологическая эволюция Земли.

Образование планетезималей шло быстрее: около 10 тыс. лет – в окрестностях Земли и около 1 млн. лет в зоне Юпитера. Самые крупные планетезимали образовали сердцевину планеты. У планет-гигантов (Юпитер, Сатурн) – это ядро планеты (например, железокаменное ядро Сатурна размером с нашу планету, окруженное гигантской водородно-гелиевой оболочкой). У планет земной группы (Меркурий, Венера, Марс) – это сами планеты. Намного больше времени занял процесс укрупнения планетезималей, их превращения в планеты. Увеличение поперечника Земли от 10 км до окончательных размеров заняло около 100 млн. лет. Планета оформилась около 4, 56 млрд. лет тому назад, но и после этого продолжала расти в течение 120-150 млн. лет за счет падения на нее метеоритов и астероидов. При падении крупных планетезималей выделялась гигантская тепловая энергия, расплавлявшая поверхность Земли. Это был океан расплавленной магмы глубиной в 200-400 км. Однако постепенно запас астероидов на орбите Земли исчерпался и число столкновений резко снизилось. Примерно 4,44 – 4,4 млрд. лет назад начало формироваться ядро планеты и атмосфера, несколько позже возникли континенты. Об этом свидетельствуют находки древнейших реликтовых пород.

N.B! Так, в западной Гренландии были обнаружены породы, возраст которых 3,7-3,8 млрд. лет. На северо-западе Канады найден участок (Акастовы гнейсы), образовавшийся 3,96 млрд. лет назад. Но самое примечательное открытие было сделано в конце 80-х гг. ХХ века на западе Австралии, где были найдены кристаллы циркония, возраст которых оценивается в 4,2 – 4,3 млрд. лет По-видимому, в этот же период на Земле возникли и зачатки живого вещества, живой материи.

Если от этого момента вести отсчет геологического времени, то эволюцию Земли можно представить в обобщенном виде, как последовательность фаз, стадий, сменяющих одна другую.

Фаза I. (4,7 – 4 млрд. лет назад).

Образование Земли из газа, пыли и планетезималей. Постепенный разогрев Земли от столкновения с космическими телами и энергии, выделяющейся в результате радиоактивного распада. Образование системы «Земля-Луна» произошло, скорее всего, в результате захвата Землей Протолуны, находившейся на одной из гелиоцентрических орбит. Дегазация Земли от разогрева приводит к формированию атмосферы из метана, аммиака и углекислоты. В конце периода образовалась гидросфера вследствие конденсации водяного пара.

Фаза II. (4 – 3,5 млрд. лет).

Возникновение первых островов – протоконтинентов, сложенных из пород, состоящих преимущественно из кремния и алюминия.

Фаза III. (3,5 – 2,7 млрд. лет).

Образование жидкого железного ядра планеты, что обуславливает возникновение магнитосферы и магнитных ловушек для высокоэнергетического космического излучения. Формируется континентальная кора – литосфера.

Фаза IV. (2,8 – 2,3 млрд. лет).

Образуется единый суперконтинент Пангея, окруженный суперокеаном Панталосса.

Фаза V. (2,2 – 1 млрд. лет).

Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду Пангеи на макроплиты, пространство между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Возникает органический мир – сине-зеленые водоросли, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом и дальнейшему развитию органики.

Фаза VI. (1700 – 650 млн. лет).

Деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формирование двух суперконтинентов - Гондваны, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия и Антарктида - и Лавразии, включавшей Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Суперконтиненты разделяет море Тетис. Наступление ледниковых эпох. Органический мир обогащается бесскелетными многоклеточными организмами; появляются первые скелетные организмы (моллюски, трилобиты и др.). Образование нефти.

Фаза VII. (650 – 280 млн. лет).

Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеотетиса, Палеоатлантического и Палеоазиатского. Гондвана дважды охватывается покровным оледенением. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается углеобразование.

Фаза VIII. (280 – 130 млн. лет).

Пангея II пронизывается сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента – Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралиии и Антарктиды. Наконец, Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие виды животных, в том числе огромные динозавры. Причины либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в активизации вулканической деятельности.

Фаза IX. (280 млн. лет – 600 тыс. лет).

Изменения общей конфигурации материков и океанов, в частности Евразия отделяется от северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. В Начале периода климат на всей планете теплый и влажный, в конце – резкие климатические контрасты. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Формируются флора и фауна, близкие к современным. Появляются предки современного человека – приматы.

Фаза Х. (современность)

Между литосферой и ядром Земли поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Под воздействием потоков магмы литосферные плиты сталкиваются друг с другом, океанические плиты подныривают под материковые, формируя каменные «бутерброды». При расхождении плит образуются новые сегменты литосферы. Идет постоянный процесс химико-плоскостной сепарации земного вещества, преобразующего состояние геосферных оболочек планеты.

С позиций постклассической теории геоэволюции можно смоделировать весь сценарий жизни Земли и солнечной системы.

1. Образование планеты, 4,7 – 4,5 млрд. лет назад.

2. Нарастание тектонической деятельности и ее пик 2,2 млрд. лет назад.

3. Период относительной стабилизации геотектонической активности (2,2 – 0,6 млрд. лет назад).

4. Угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет назад – 1,6 млрд. лет вперед).

5. Остывание планеты (1,6 – 5 млрд. лет вперед).

6. Взрыв Солнца и опаление Земли – исчезновение геосферных оболочек (~ 5 млрд. лет вперед).

7. Космическое странствование ядра планеты – до поглощения какой-либо звездой или «черной дырой» (после 5 млрд. лет вперед).

Современные концепции строения Земли и геодинамики. Идею о шарообразности Земли выдвинул еще Аристотель, наблюдая лунные затмения, образованные земной тенью. После создания классической динамики тел высказывалось предположение, что вследствие осевого вращения земной шар должен быть сплюснут у полюсов, что и удалось подтвердить в XVIII; разница между экваториальным и полярным радиусом составила 21, 4 км.

Основной причиной отклонения формы Земли от геометрии сфероида является неоднородность состава земной коры. Геометрическая фигура планеты получила название геоида. Геоид – это поверхность вращения, в каждой точке которой сила тяжести нормальна к ней.

N.B! Отклонение формы геоида от сферической колеблется в пределах 50-100 м; совпадает с геоидной формой лишь поверхность воды в Мировом океане. Форма поверхности суши может отступать от геоидной на километры.

Строение Земли. Внутрипланетное устройство Земли, ее структура – предмет длительного и разностороннего изучения. По современным представлениям Земля имеет трехступенчатое строение: ядро, мантия, земная кора.

Ядро Земли занимает примерно 17% объема земного шара. На его долю приходится около 34% массы Земли. В его структуре выделяют три слоя: внутренне ядро (субъядро), занимающее объем глубже 5120 км, переходная зона в интервале глубин 4960-5120 км, и внешнее ядро – от границы Вихерта-Гутенберга до 4980 км. Сейсмические данные позволяют предположить, что вещество внутреннего слоя (субъядра) находится в твердом состоянии, переходной зоны – в различных фазовых состояниях, вещество внешнего ядра обладает свойствами жидкости.

Мантия Земли занимает 83% объема и 66% массы планеты. Имеет сложное слоистое строение. Сейсмические данные указывают на границы трех основных частей на глубинах 400, 670 и 2700 км.

На земную кору приходится до 1% массы Земли.

Между названными частями проходит граница Мохоровичича, отделяющая земную кору от мантии, расположенная на глубине 30-70 км на континентах и 5-10 км под дном океана; граница Вихерта-Гутенберга, разделяющая мантию и ядро на глубине 2900 км. Кроме этих основных поверхностей раздела, выделяют еще несколько вспомогательных. Дальнейшая детализация строения планеты связана с выделением структурных оболочек – геосфер – и подоболочек по вещественному, функциональному или иным критериям.

Геосферой называется оболочка Земли, приблизительно симметричная относительно центра и состоящая в основном из вещества, находящегося в одном из физических состояний. Главными геосферами являются: экзосфера, ионосфера, мезосфера, стратосфера, тропосфера, гидросфера, земная кора, мантия, ядро.

По какому-либо особому свойству вещества выделяют еще функциональные геосферы: астеносферу, по соотношению температуры и давления, обуславливающих расплавленное состояние горных пород; по встречаемости осадочных пород – стратисферу; по распространению живого – биосферу и др.

По комплексу признаков выделяют ландшафтную сферу, охватывающую тропосферу, гидросферу и литосферу. В ее рамках вырабатываются понятия о техносфере, социосфере, антропосфере.

По проявлениям физических полей выделяют сейсмосферу, геоэлектромагнитосферу, геогравиосферу и др.

Геосферы активно проникают друг в друга и влияют друг на друга. Например, атмосфера и гидросфера через растворенный в воде воздух и парообразное состояние воды.

N.B! На начальном этапе (4,6 – 4,1 млрд. лет назад) Земля не была стратифицирована на геосферные оболочки. Они появились позднее в результате гравихимического разделения первичного вещества планеты под воздействием энергетических потоков. Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (82%), энергией радиоактивного распада (~12%), приливной энергией океанов (~4%), солнечной энергией (~2%). В первичном составе планеты содержалось много железа (~13%) и его окислов (~24%), которые осели на межзвездной материи, и захвата метеоритов, состоящих на 30% из железа.

Земля не сразу стала тектонически активной, а лишь после разогрева, который из-за наличия приливной энергии (высота волн достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях. Эта теплота разогревала вещество, переводя его в расплав, из которого наиболее тяжелые элементы стали диффундировать в центр планеты. Стекание железа в центр Земли и привело к образованию ядра. Более легкие вещества (SiO₂, MgO и др.) переходили в верхние слои планеты, где остывая, образовали мантию, астеносферу и литосферу. Дегазация пород привела к созданию атмосферы, а за счет конденсации паров образовалась гидросфера.

Все геосферные оболочки, возникнув и сформировавшись, становятся геодинамически активными, оказывают влияние на всю планету. Именно коэволюция геосферных оболочек формирует эволюцию самой Земли. Атмосфера и гидросфера оказывают давление на литосферу, последняя давит на мантию, которая далее спрессовывает ядро. Ядро притягивает к себе вещество других оболочек, пронизывает их магнитным полем, нагревая мантию и прилегающие к ней слои литосферы. Мантия передает эти мощные тепловые потоки земной коре, раздвигая океанское дно и перемещая литосферные плиты. Литосфера оказывает тепловое воздействие на атмосферу и т.д.

Геодинамические процессы. Геодинамика нашей планеты вызывается и определяется физическими силовыми полями: сейсмическими, магнитными, тепловыми. Область пространства, охватываемая физическими полями Земли, не менее 2 млн. км; пределы ее определяются двумя показателями:

1500000 км – сфера Хилла – расстояние, на котором могут двигаться тела, оставаясь спутниками Земли;

260 000 км – область, в пределах которой земное притяжение превосходит солнечное.

Гравитационные воздействия Солнца, Луны, и других планет на орбиту Земли вызывают возмущения колебательного характера, ответственные, возможно за климатические изменения. Гравитационное поле Земли определяет величину силы тяжести на поверхности. Отклонения силы тяжести в данной точке планеты от средне теоретических значений называется гравитационными аномалиями.

Магнитное поле. Давно обнаружено, что наша планета представляет собой гигантский магнит. Измерения геомагнитного поля со спутников показали, что на расстоянии около 10 земных радиусов находится граница, где его напряженность почти сравнивается с напряженностью межпланетного магнитного поля, т.е. граница магнитосферы Земли расположена на расстоянии в 100-200 тыс. км. Напряженность магнитного поля по поверхности Земли неодинакова: на полюсах она достигает 0, 008 – 0,005 А/м. с удалением от поверхности Земли напряженность магнитного поля убывает пропорционально кубу расстояния.

Тепловое поле. Как всякое нагретое тело, Земля имеет собственное инфракрасное, т.е. тепловое излучение. В этом смысле можно говорить о собственном «тепловом» поле Земли.

Факторы, вызывающие нагревание, делятся на внешние (энергия Солнца, приливное терние, космическое излучение) и внутренние (теплопередача из глубин, вулканизм, геотермальные источники, хозяйственная деятельность людей).

Основной источник теплового поля – Солнце. От него на верхнюю границу атмосферы приходит тепловой поток, равный 1370 Дж/м²/с, что эквивалентно сжиганию 1 млрд. тонн нефти. Температура на поверхности колеблется от – 89°С в Антарктиде до + 59°С в Африке. Суточные, сезонные, климатические изменения температуры оказывают влияние на геосферу и биосферу Земли.

Сейсмическое поле. Самая большая масса сведений о динамике планеты получается из анализа сейсмических волн, которые возникают в поле упругости горных пород, в очаге землетрясения. Землетрясения проявляются в виде подземных толчков, вызываемых естественными причинами, и играют существенную роль в земных процессах. Ежегодно регистрируются свыше одного миллиона землетрясений, и некоторые из них являются крайне разрушительными. Распределение сейсмически активных зон по Земле неравномерно. Больше всего землетрясений (до 80%) регистрируется на периферии Тихого океана, в так называемом тихоокеанском сейсмическом поясе. Вторым по активности является средиземно-индонезийский сейсмический пояс, протянувшийся от Гибралтара через Средиземное море, Ближний Восток и Гималаи к островам Индонезии, где он стыкуется с тихоокеанским.

Земная кора находится в постоянном движении как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Горные породы разрываются, надвигаются, сминаются, постоянно меняя рельеф земной поверхности. Оценки амплитуд вертикальных движений литосферы показывают, что средние скорости в зонах повышенной сейсмической активности достигают 0,3 мм в год, а в спокойных – 0, 05 мм в год. В геологическом времени амплитуда вертикальных движений оценивается по расстоянию между самой высокой точкой на суше (Джомолунгма, 8848) и самой глубокой впадиной Мирового океана (Марианский желоб, 11022 м), что составляет около 20 км. Горизонтальные движения земной коры происходят литосферными плитами, причем им свойственны не только линейные, но и вращательные движения. Так, по палеомагнитным данным Великобритания за последние 200 млн. лет развернулась по часовой стрелке на 30° и одновременно сместилась к северу.

Геологические циклы. Геологические процессы на Земле имеют циклический характер.

Общий геологический цикл, который проходят земные породы, был впервые установлен Дж. Геттоном, основателем современной геологии, в конце ХIII в. согласно ученому, горные породы подвергаются выветриванию, что приводит к образованию осадка, который потом захороняется. При погружении на глубину осадочные породы испытывают метаморфизм и плавление, а затем поднимаются вверх вместе с растущими горными цепями. В этом цикле участвует вся земная кора и вещество верхних слоев мантии.

Другим примером глобального цикла является гидрологический цикл – круговорот воды в природе. В нем перенос воды осуществляется между разными частями и оболочками земного шара. Из общего резервуара – атмосферы – вода выпадает на сушу и море, частично задерживается в земле в виде грунтовых вод, основная часть различными путями сбрасывается в другой общий гигантский резервуар – Мировой океан. Испаряясь с поверхности суши и моря, вода попадает обратно в атмосферу, завершая полный оборот цикла. Нарушение водного баланса в глобальной системе может вызвать катастрофические последствия, вплоть до изменения климата, осушения шельфа и др.

Еще один глобальный процесс переноса – карбоновый цикл – круговорот углекислого газа в атмосфере, океане и земной коре. Из атмосферы двуокись углерода поглощается растениями в процессе фотосинтеза. В результате создаются запасы углерода органического происхождения – в остатках отмерших растений и животных. Богатое углеродом вещество складируется в виде осадков в земной коре. В то же время процесс размывания известняков и органических веществ ведет к окислению углерода, который снова возвращается в атмосферу, замыкая гигантский временной цикл.