Okonskaya_Reznik_Filosofskie_problemy_nauki_i_tekhniki
.pdf
Макромир – мир макрообъектов 10-6-107 см, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в, мм, см, м, км, а время – в сек., мин., час., годах.
Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см (например, нанометр, одна миллиардная части метра, т. е. 10−9м), а время жизни – от бесконечности до 10-24 сек.
Мегамир – мир огромных космических масштабов до 1028 см; и
скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.
Микро-, макро- и мегамиры взаимосвязаны.
Современное естествознание выделяет три основных вида материальных состояний: вещество, физическое поле и физический
вакуум, или так называемое темное вещество. Вещество – это химический уровень материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относятся атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты (даже живые организмы строятся на основе химического носителя). Физическое поле соответствует различным заряженным частицам: электромагнитное, гравитационное, волновое.
Поскольку нельзя с достаточной точностью измерить одновременно и координаты частицы, и ее заряд, мы привыкли говорить о микрочастицах: «не имеет массы покоя». Однако энергия поля – это не «чистая» энергия,
без носителя. Масса не может превратиться в энергию! Это две разные характеристики материальных объектов, сохраняемые при всех их взаимных превращениях. Трудности связаны с познанием
(фиксированием) этих характеристик человеком его далеко не совершенными приборами, чей размер не соответствует размерам микромира. При этом мы знаем, что физическое поле обладает энергией,
импульсом, дискретностью и др.) Физический вакуум – низшее по уровню организации энергетическое состояние квантового поля. Этот
41
термин введен в квантовой теории для объяснения некоторых микропроцессов взаимного превращения частиц друг в друга. Среднее число положительно и отрицательно заряженных частиц – квантов поля – в
вакууме равно нулю, но только среднее число! Реально до 95% массы вселенной сосредоточено в виде этого недавно открытого «темного вещества». Оно прежде было не выявлено именно потому, что по мере уменьшения размеров частиц, составляющих бесчисленное множество галактик, их вес (масса) резко, по экспоненте возрастает. Еще одна характеристика этого таинственного пока для обыденного сознания феномена: время существования частиц безгранично мало.
Итак, в вакууме могут рождаться «виртуальные» частицы, то есть частицы, существующие короткое время, а также пары: частица-
античастица. Сегодня науке известно более 300 элементарных частиц, их открытия продолжаются. У большинства из них есть античастицы,
отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента (электрон-позитрон, протон-антипротон, нейтрон-
антинейтрон и т.д.). Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество.
Элементарными называются частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, и их размеры недоступны измерению
(элементарное расстояние, доступное современным средствам измерения –
10-18 см).
Основными характеристиками элементарных частиц являются следующие: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Поясним эти физические понятия.
МАССА2 ПОКОЯ: в теории относительности масса
объекта, находящегося в состоянии покоя. Считается, что масса
2 (Масса (от греч. μάζα) — скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от
42
ФОТОНА равна нулю, однако скорость фотона равна скорости света
во всех случаях, и его невозможно привести в состояние покоя
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Частицы, имеющие массу покоя делятся на лептоны (легкие частицы); существует три поколения лептонов:
первое поколение: электрон, электронное нейтрино
второе поколение: мюон, мюонное нейтрино
третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино
мезоны (средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; назовем некоторые из них: пион, каон, эта, ро, фи)
барионы (тяжелые частицы, чья масса превышает 1000 масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Единственным стабильным барионом является протон; все остальные барионы нестабильны и путём последовательных распадов превращаются в протон и лёгкие частицы. Нейтрон в свободном состоянии — нестабильная частица, однако, в связанном состоянии внутри атомных ядер он стабилен.).
Электрический заряд («элементарный» заряд)
Все элементарные частицы обладают электрическим зарядом.
Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные.
Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы –
протоны и позитроны, а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон.
Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон, нейтрино. В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю.
Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.
Кварки – частицы с дробным электрическим зарядом.
которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес.
В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а масса тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя). Масса проявляется в природе несколькими способами.
43
По времени жизни
Частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон.
Стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел.
Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 –
10-24 секунд, после чего распадаются.
Спин – собственный момент импульса движения микрочастицы, ее внутренняя степень свободы, который не связан с перемещением частицы как целого. При введении понятия «Спин.» предполагалось, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок», а его Спин. — как характеристику такого вращения, — отсюда и название. В ядерной физике вводится также изоспин, а в физике элементарных частиц появляется цвет,
очарование, прелесть (или красота) и истинность.
Квантовые числа – это числа, определяющие дискретные значения параметров состояния элементарных частиц. Квантовое число вквантовой механике— численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т.д.),
характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы.
Все элементарные частицы по характеру взаимодействия делятся
на две группы:
Фермионы (кварки, лептоны).
Бозоны (кванты полей – фотоны, векторные бозоны, глюоны,
гравитино и гравитоны).
Фермионы составляют вещество, а бозоны переносят взаимодействие
(поле).
Вопрос 3. Физическое взаимодействие.
Взаимодействие обуславливает соединение различных материальных элементов в системы, системную организацию материи. Все свойства тел есть проявление их взаимодействия.
44
Современная физика рассматривает четыре типа взаимодействий:
гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
Гравитационное взаимодействие
Это самое слабое из всех взаимодействий. Гравитационному взаимодействию подвержены все элементарные частицы. Влияние гравитационного поля на квантовые системы мало, но существенно возрастает в космических масштабах. С увеличением размеров объектов увеличивается энергия взаимодействия. Существует только в виде гравитационного притяжения (закон тяготения Ньютона). Скорость распространения гравитационных волн в вакууме равна скорости света.
Электромагнитное взаимодействие
Тип фундаментальных взаимодействий, который характеризуется участием электромагнитного поля в процессах взаимодействия.
Электромагнитное поле (в квантовой физике – фотоны) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. В отличие от гравитационного может проявляться и как
притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание
(между одинаковыми зарядами). Характеризуется тем, что электрические заряженные частицы испускают или поглощают фотоны, либо обмениваются ими.
Обеспечивает целостность атомов, молекул, макротел; именно к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил,
наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др; свойства различных агрегатных состояний вещества
(кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн.
Таким образом, электромагнитное и гравитационное взаимодействия осуществляются в космических масштабах, в макромире и микромире.
Слабое взаимодействие
45
Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия,
значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное),
характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий,
гравитационного. Проявляется только в микромире. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами – то есть превращаться друг в друга.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие (другие названия – цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие). В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее (от10-13 см), отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов – протоны и нейтроны) в ядрах. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.
Если энергию гравитационного взаимодействия принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 1039 раз больше, а
взаимодействие между нуклонами, – составляющими ядро частицами, – в
1041 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.
В обычном стабильном веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядрах.
Однако при столкновениях ядер или нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям. Особенно важную роль в природе играют реакции слияния (термоядерного синтеза), в результате которых четыре нуклона
46
объединяются в ядро гелия. Эти реакции (при существенном участии также и слабого взаимодействия) идут на Солнце и являются основным источником используемой на Земле энергии.
Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития: жизнь, человек, общество.
В последние годы в научных трудах обсуждается возможность существования еще одного дистанционного взаимодействия в макромире –
спин-торсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля.
Торсионные поля (поля кручения) как объект теоретической физики являются предметом исследования с начала XX века и своим рождением обязаны Э. Картану и А. Эйнштейну. Если электромагнитные поля порождаются зарядом, гравитационные — массой, то торсионные поля — спином или угловым моментом вращения, а также открыта их способность к самогенерации.
Торсионное поле (поле кручения) обладает способностью почти мгновенно передавать информацию в любую часть Вселенной, а также обеспечивает «голографичность» информационных связей во Вселенной.
Торсионные поля гипотетически ответственны за парапсихические феномены.
Возможно, что XXI век будет веком торсионной энергии.
Вопрос 4. Концепции пространства и времени в современном
естествознании.
Пространство и время – атрибуты материи, это формы ее существования.
Какими же основными общими свойствами обладают пространство и время?
1)Пространство и время объективны и реальны, т.е.
существуют независимо от сознания людей.
47
2)Пространство и время являются универсальными,
всеобщими формами бытия материи.
Нет событий, явлений, предметов, которые бы существовали вне
времени и вне пространства.
Примечание: во многих современных учебниках по КСЕ даются именно такие свойства и пространства, и времени, которые исторически принадлежат еще классическому (Ньютоновскому) этапу развития естествознания) Сегодня следует понимать, что такие свойства пространства, как однородность, изотропность, обратимость, относятся лишь к так называемому «пустому пространству» Ньютона, когда предполагалось возможное существование пространства отдельно от вещей, процессов и явлений.
Специфические свойства пространства
Однородность – все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, – нет выделенных точек пространства, параллельный перенос замкнутых систем тел не изменяет вид законов природы.
Изотропность – все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, – нет выделенных направлений, и поворот замкнутой системы пространства на любой угол сохраняет неизменными законы природы.
Непрерывность – между двумя различными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья.
Обратимость – возможность возвращения в любую точку пространства замкнутой системы, пока она существует, – неограниченное число раз.
Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу другого элемента, либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи.
48
Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям.
Трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат. Три измерения (длина, ширина и высота) являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействия материальных объектов.
Специфические свойства времени
Однородность – любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково.
Непрерывность – между двумя моментами времени, как бы близко они не располагались, всегда можно выделить третий.
Однонаправленность или необратимость – означает однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них.
Длительность существования – выступает как единство прерывного и непрерывного.
Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Для определения времени достаточно одной координаты.
Пространство и время в свете теории относительности А.
Эйнштейна
Специальная теория относительности, созданная в 1905 г., стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения
49
она сводится к классической механике, которая, таким образом,
оказывается ее частным случаем.
Свойства пространства и времени не абсолютны, они носят относительный характер и зависят от массы материи (m) и скорости ее движения (с) 
Так, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза по сравнению с тем же кораблем, находящимся в покое, при возвращении корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как и была при отлете.
Во времени подобный эффект еще более заметен. В частности,
известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат на Земле стал старше его. Можно точно рассчитать данные любого полета. Представим себе, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Но согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца.
Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Сын постарел на 50
лет за годы, прожитые на Земле, в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.
Общая теория относительности (или релятивистская теория тяготения) установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях.
50