Бондарев В. Концепции современного естествознания

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 6 ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

§ 6.1. Иерархичность миров и границы нашего познания

Проблема выделения фундаментальных физических теорий

В настоящее время считается, что именно физическая картина мира лежит в основе описания природы. В физике приходится иметь дело с разнообразными величинами, значения которых охватывают огромный диапазон. Так, интервал известных нам длин простирается от размеров элементарных частиц до размеров Вселенной, интервал времен - от периодов полураспада короткоживущих элементарных частиц до возраста Вселенной, интервал масс — от массы электрона до масс галактик.
Периодически предпринимались и предпринимаются попытки создать некую универсальную теорию, которая охватывала бы весь разнообразный мир физических объектов и явлений. Однако пока не удалось, а большинство физиков считает, что никогда не удастся, создать единую, всеобъемлющую теорию, описывающую все разнообразие явлений, с которыми мы сталкиваемся. Сейчас существует много теорий, каждая из которых имеет ограниченную область применения. Например, законы механики Ньютона несправедливы для тел, развивающих очень большие скорости. В таких случаях пользуются специальной теорией относительности. Однако эта теория не применима к области чрезвычайно больших масс, а также для объяснения некоторых явлений, происходящих на огромных галактических расстояниях; при этом привлекают общую теорию относительности. Когда речь заходит о явлениях атомных и ядерных масштабов, механика Ньютона уступает место квантовой теории, а в случаях больших скоростей - релятивистской квантовой теории.
В настоящее время не существует абсолютно четких критериев области применения той или иной физической концепции. Из опыта известно, что теорию относительности следует использовать, когда скорости тел приближаются к скорости света, а механика Ньютона правильно описывает поведение тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света. Однако непонятно, когда именно нужно переходить от ньютоновской механики к релятивистской. Ответ на этот вопрос зависит от того, с каким конкретно случаем мы имеем дело, и от того, с какой точностью надо решать задачу.
Физическая картина мира слагается из некоторого количества фундаментальных концепций, но нет совпадения мнений относительно того, какие это концепции. Например, В. Гейзенберг полагал, что в современной физике существуют по крайней мере четыре фундаментальных замкнутых непротиворечивых теории: классическая механика, термодинамика, электродинамика, квантовая механика, каждая из которых в своей области приложимости наилучшим образом описывает реальность. (Классическая и квантовая механика будут рассмотрены в § 6.2 и 6.4.)
Обычно, когда говорят об электродинамике, подразумевают классическую электродинамику - теорию электромагнитных процессов в различных средах и вакууме. Она охватывает совокупность явлений, в которых основную роль играют взаимодействия между заряженными частицами, осуществляемые посредством электромагнитного поля. Все электромагнитные явления можно описать с помощью уравнений Максвелла, которые устанавливают связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением зарядов и токов в пространстве. Содержание четырех уравнений Максвелла для электромагнитного поля качественно сводится к следующему: магнитное поле порождается движущимися зарядами и переменным электрическим полем (током смещения); электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое поле) порождается переменным магнитным полем; силовые линии магнитного поля всегда замкнуты (т.е. оно не имеет источников - магнитных зарядов, подобных электрическим); электрическое поле с незамкнутыми силовыми линиями (потенциальное поле) порождается электрическими зарядами — источниками этого поля. Из теории Максвелла вытекают конечность скорости распространения электромагнитного взаимодействия и существование электромагнитных волн.
Наряду с классической выделяют квантовую электродинамику — квантовую теорию электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (главным образом электронами и позитронами, мюонами). В основе квантовой электродинамики лежит подтвержденное на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного поля - фотоны - являются носителями минимально возможных при конкретной частоте поля энергии и импульса. В рамках квантовой электродинамики делается вывод о том, что электромагнитному излучению присущи не только волновые, но и дискретные, корпускулярные свойства, а взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается как поглощение и испускание частицами фотонов. Обмен фотонами обусловливает электромагнитное взаимодействие заряженных частиц. Частица может испустить фотоны, а затем сама их поглотить. Квантовая электродинамика достаточно точно описывает испускание, поглощение и рассеяние излучения веществом, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами и т.п.
Термодинамика в классическом понимании - это раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими равновесными состояниями.
Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов - начал термодинамики, которые являются обобщением многочисленных наблюдений и результатов экспериментов. Термодинамика возникла в первой половине XIX в. в связи с развитием теории тепловых машин и установлением закона сохранения энергии. Различают химическую термодинамику, техническую термодинамику и термодинамику разных физических явлений.
В настоящее время быстро развивается термодинамика неравновесных процессов - раздел физики, в котором изучаются неравновесные процессы (диффузия, вязкость, термоэлектрические явления и др.) на основе общих законов термодинамики. При количественном изучении этих процессов, в частности при определении их скоростей в зависимости от внешних условий, составляются уравнения баланса массы, импульса, энергии и энтропии для элементарных объемов системы, и эти уравнения исследуются совместно с уравнениями рассматриваемых процессов. Термодинамика неравновесных процессов является теоретической основой исследования открытых систем, в том числе живых существ.

Фундаментальные типы физического взаимодействия

В современной физике принято представление о четырех фундаментальных типах физического взаимодействия:
◊ сильное взаимодействие - самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В этом взаимодействии участвуют элементарные частицы, именуемые адронами. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия около 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия - ядерные силы;
◊ электромагнитное взаимодействие по «силе» занимает следующее положение после сильного взаимодействия. В нем участвуют частицы, имеющие электрический заряд (или магнитный момент). Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля - фотоны. Это взаимодействие является дальнодействующим. Оно определяет взаимодействие между ядрами и электронами в атомах и молекулах, поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, проявляющихся в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, химическая связь и т.д. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн;
◊ слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы (кроме фотона). Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2 – 10-16 см. Это взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др.;
◊ гравитационное взаимодействие - присущее всем видам материи взаимодействие, самое слабое из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц; имеет характер притяжения.
В настоящее время разработана объединенная теория электромагнитного и слабого взаимодействий (электрослабое взаимодействие). Существуют модели, включающие и сильное взаимодействие (великое объединение). Делаются попытки описать все четыре взаимодействия на единой основе.

Иерархичность физических явлений

Разные физические концепции в единое целое объединяет, вероятно, общее поле, на котором есть области наиболее частого применения тех или иных основных физических теорий - составляющих общей физической картины мира. Этот тезис иллюстрирует диаграмма на рис. 6.1, построенная в координатах расстояние - скорость, где указаны области применимости пяти самых широких современных теорий, причем область скоростей и расстояний, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, занимает лишь небольшую площадь в нижней части диаграммы [18]. Следует отметить, что эти области частично перекрываются и разделение носит условный характер. Например, на диаграмме показано, что общая теория относительности применима к астрономическим расстояниям, однако решающая ее проверка основана на анализе движения планет, а одно из предсказаний теории можно проверить даже в лаборатории. Из диаграммы следует, что применять общую теорию относительности необходимо для астрономических расстояний. Верхняя часть диаграммы ограничена скоростью света, поскольку, согласно современной физической парадигме, скорости материальных частиц, превосходящие это предельное значение, не имеют физического смысла. Кроме того, на современном уровне знаний нельзя ответить на вопрос, какие физические теории применимы к расстояниям, меньшим размеров протона или большим размеров видимой Вселенной. Не ясно даже, имеет ли смысл говорить о физических концепциях для этих областей.

В настоящее время сложилось представление об иерархичности физических явлений. В рамках физической картины мира выделяют по меньшей мере три структурных уровня - микро-, макро- и мегамир.
Макромир имеет дело с макрообъектами, размеры которых соотносимы с земными масштабами. В пределах макромира пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах и годах. В этой области наиболее подходящей моделью физической реальности является механика И. Ньютона.
Мегамир характеризуется большими космическими масштабами и скоростями. Здесь пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках. Характерные для мегамира времена - миллионы и миллиарды лет. Для этой области разработаны такие концепции, как специальная и общая теории относительности.
Микромир, или мир микрообъектов, имеет масштабы 10-8 – 10-16 см, а время охватывает интервал от 10-24 до времени образования Вселенной. Для микромира наиболее подходят нерелятивистская и релятивистская квантовые механики.

§ 6.2. Концепции макромира и классическая механика

Сущность классической механики и ее исторический обзор

Анализ физических явлений макромира базируется на концепции классической механики. В широком смысле механика изучает механическое движение материи, тел и происходящие при этом взаимодействия между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве; в природе - это движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п. Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, в результате которых происходят изменения скоростей точек этих тел или их деформации, например притяжение тел по закону всемирного тяготения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся в них тела.
Возникновение механики и ее развитие связаны с нуждами практики [25]. Раньше других разделов механики стала развиваться статика. Первые дошедшие до нас трактаты по механике появились в Древней Греции - это натурфилософские сочинения Аристотеля (IV в. до н.э.), который ввел в научный оборот термин «механика». Научные основы статики (теория рычага, сложение параллельных сил, учение о центре тяжести, начала гидростатики и др.) разработал Архимед (III в. до н.э.).
В XVII в. были созданы научные основы динамики, а с ней и всей механики. Большое влияние на развитие механики оказали гелиоцентрическое учение Н. Коперника (XVI в.) и открытие И. Кеплером законов движения планет (начало XVII в.). Основоположником динамики считают Г. Галилея, который получил решение задачи о движении тела под действием силы (закон равноускоренного падения). Его исследования привели к открытию закона инерции и принципа относительности классической механики; он стал основателем теории колебаний и науки о сопротивлении материалов. Исследования движения точки по окружности, колебаний физического маятника и законов упругого удара тел, важные для дальнейшего развития механики, принадлежат X. Гюйгенсу. Создание основ классической механики завершается трудами И. Ньютона, сформулировавшего в 1687 г. главные ее законы и открывшего закон всемирного тяготения. В XVII в. были установлены и два исходных положения механики сплошной среды - закон вязкого трения в жидкостях и газах (Ньютон) и закон, выражающий зависимость между напряжениями и деформациями в упругом теле (Р. Гук).
В XVIII в. интенсивно развиваются аналитические методы решения задач механики, основывающиеся на использовании дифференциального и интегрального исчислений. Для материальной точки эти методы разработал Л. Эйлер, также заложивший основы динамики твердого тела. Ж. Лагранж получил уравнения движения системы в обобщенных координатах и создал основы современной теории колебаний. Эйлером, Д. Бернулли, Лагранжем и Д'Аламбером были разработаны основы гидродинамики идеальной жидкости.
В XIX в. продолжается интенсивное развитие всех разделов механики. В динамике твердого тела результаты, развитые С.В. Ковалевской и другими исследователями, послужили основой теории гироскопа, имеющей большое практическое значение. A.M. Ляпуновым была разработана теория устойчивости равновесия и движения. И.А. Вышнеградский заложил основы современной теории автоматического регулирования. Доказанная Г. Кориолисом теорема о составляющих ускорения послужила основой динамики относительного движения. Кинематика, развивавшаяся одновременно с динамикой, во второй половине XIX в. выделилась в самостоятельный раздел механики. Развитие получила и механика сплошной среды: были установлены общие уравнения теории упругости; дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости; развито учение о вихрях и отрывном обтекании тел; положено начало изучению турбулентных течений; зародились гидродинамическая теория трения при смазке, теория пограничного слоя, первая математическая теория пластического течения металла и др.
В XX в. интенсивно развиваются новые области механики - теория нелинейных колебаний (А. Ляпунов и А. Пуанкаре), механика тел переменной массы и динамика ракет, где первые исследования проводили И.В. Мещерский (конец XIX в.) и К.Э. Циолковский. В механике сплошной среды появились еще два раздела - аэродинамика (Н.Е. Жуковский) и газовая динамика (С.А. Чаплыгин).
На современном этапе к актуальным в механике относят задачи теории колебаний, динамики твердого тела, теории устойчивости движения, механики тел переменной массы и динамики космических полетов. Все большее значение приобретают задачи, требующие применения вероятностных методов расчета, в которых, например, относительно действующих сил известна лишь вероятность того, какие значения они могут иметь. В механике непрерывной среды актуальны: изучение поведения макрочастиц при изменении их формы, что связано с разработкой более строгой теории турбулентного течения жидкости; решение задач теории пластичности и·ползучести; создание обоснованной теории прочности и разрушения твердых тел. Механика также занимается изучением движения плазмы в магнитном поле, т.е. решением одной из самых актуальных проблем современной физики - осуществлением управляемого термоядерного синтеза. Ряд важнейших задач гидродинамики связан с проблемами больших скоростей в авиации, баллистике, турбино- и двигателестроении. Много новых задач возникает на стыке механики и других областей наук; в частности, в рамках гидротермохимии проводятся исследования механических процессов в жидкостях и газах, вступающих в химические реакции. Кроме того, механика изучает силы, вызывающие деление клеток, механизм образования мускульной силы и др.

Основные положения классической механики

В настоящее время предметом изучения классической механики являются движения любых материальных тел (кроме элементарных частиц), совершаемые со скоростями, много меньшими скорости света. При изучении движения материальных тел в ньютоновской механике вводят ряд абстрактных понятий, отражающих те или иные свойства реальных тел. Приведем основные три:
◊ материальная точка — объект пренебрежимо малых размеров, имеющий массу. Это понятие применимо, когда тело движется поступательно или в изучаемом движении можно пренебречь вращением тела вокруг его центра масс;
◊ абсолютно твердое тело — тело, у которого расстояние между двумя любыми точками всегда остается неизменным; это понятие применимо, когда можно пренебречь деформацией тела;
◊ сплошная изменяемая среда; это понятие применимо, когда при изучении движения изменяемой среды (деформируемого твердого тела, жидкости, газа) можно пренебречь молекулярной структурой среды.
При изучении сплошных сред дополнительно прибегают к абстракциям, отражающим при данных условиях наиболее существенные свойства соответствующих реальных тел: идеально упругое тело, пластическое тело, идеальная жидкость, вязкая жидкость, идеальный газ и др. В соответствии с этим выделяют механику материальной точки, механику системы материальных точек, механику абсолютно твердого тела и механику сплошной среды.
Механика сплошной среды подразделяется на теорию упругости, теорию пластичности, гидродинамику, аэродинамику, газовую динамику и др. В каждом из указанных разделов в соответствии с характером решаемых задач выделяют: статику - учение о равновесии тел под действием сил, кинематику — учение о геометрических свойствах движения тел, динамику - учение о движении тел под действием сил.
Большое значение для решения задач механики имеют понятия о динамических мерах движения, которыми являются количество движения, момент количества движения, кинетическая энергия, и о мерах действия силы, каковыми служат импульс силы и работа. Соотношение между мерами движения и мерами действия силы дают общие теоремы динамики. Эти теоремы и вытекающие из них законы сохранения количества движения, момента количества движения и механической энергии выражают свойства движения любой системы материальных точек и сплошной среды.
В основе классической механики лежат три закона механики Ньютона:
1) всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние;

1. изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит в направлении той прямой, по которой эта сила действует: F = am, где F - действующая сила, α — ускорение, т - масса тела;
2. действию всегда есть равное и противоположное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны. Большое значение для понимания явлений макромира имеет теория тяготения Ньютона. В основе ее представлений лежит закон, утверждающий, что две любые материальные частицы с массами та и ть притягиваются по направлению друг к другу с силой F, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния rмежду ними:

где G - гравитационная постоянная.
Из закона всемирного тяготения Ньютона следует, что тяготение - это потенциальное поле с некоторой напряженностью. Важным в теории тяготения Ньютона является наличие принципа эквивалентности, согласно которому тяготение одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковое ускорение независимо от массы, химического состава и других свойств. Теория Ньютона предполагает мгновенное распространение тяготения (в соответствии с принципом дальнодействия), что не согласуется со специальной теорией относительности (никакое взаимодействие не может распространиться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме). Это подтверждает справедливость теории Ньютона только для скоростей, значительно меньших скорости света; кроме того, она неприменима при расчетах траектории света в поле тяготения и других явлений, связанных с эффектами из мега- и микромира.
В классической механике пространство принимается трехмерным, время - однонаправленным, одномерным и не зависящим от пространства. Для описания пространства используют введенную Р. Декартом координатную систему (названную впоследствии его именем).

При этом принимается, что все в мире состоит из атомов. В рамках этих представлений движение описывается как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики Ньютона. В классической механике принято допущение, известное как принцип дальнодействия, по которому все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяжести, распространяющейся мгновенно.
Одно из центральных мест в классической механике занимает принцип относительности Г. Галилея, суть которого составляют два положения: 1) движение относительно (оно воспринимается по-разному наблюдателем в помещении под палубой корабля и наблюдателем, который смотрит на корабль с берега); 2) физические законы, управляющие движением тел в этом помещении, не зависят от того, как движется корабль (если только это движение равномерно).
В классической механике пространство мыслится как некий «фон», на котором развертывается движение материальных точек. Их положение можно определять, например, с помощью декартовых координат х, у, z, зависящих от времени t (рис. 6.2). При переходе из одной инерциальной системы отсчета, К, в другую, К', движущуюся по отношению к первой вдоль оси хсо скоростью ν, координаты преобразуются: х' = х— vt, у' = у, z' = z; особенно важно, что время остается неизменным, т.е. t' = t; эти формулы получили название преобразований Галилея. По Ньютону, пространство выступает как некая координатная сетка, на которую не влияют материя и ее движение. Время в такой «геометрической» картине мира как бы отсчитывается некими абсолютными часами, ход которых ничто не может ни ускорить, ни замедлить.

§ 6.3. Концепции мегамира и теория относительности

Сущность теории относительности

Для описания физических явлений в мегамире широко используют специальную (частную) и общую теории относительности. Эти теории позволяют говорить о физических процессах как о свойствах пространства-времени. Согласно общей теории относительности, которая получила завершенную форму в 1915 г. в работах А. Эйнштейна, свойства пространства-времени определяются действующими в ней полями тяготения. Для общей теории относительности, именуемой также общей теорией тяготения, важен принцип эквивалентности, в соответствии с которым локально неразличимы силы тяготения и силы инерции, возникающие при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория тяготения (общая теория относительности) описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени, а эти свойства влияют на движение материи и на другие свойства вещества. По общей теории относительности, истинное гравитационное поле есть проявление искривления четырехмерного пространства-времени. Основной идеей теории является утверждение о том, что все тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени, которое искривлено, и, следовательно, геодезические линии не прямые. Из этого вытекает, что тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного поля и всех других полей.
В специальной теории относительности, основы которой были разработаны Эйнштейном в 1905 г., изучаются свойства пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения. Таким образом, специальная теория относительности представляет собой частный случай общей теории относительности. Теория относительности опирается на геометрию четырехмерного пространства-времени Г. Минковского, который ввел в 1907-1908 гг. понятие о том, что событие задается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Геометрия пространства-времени Минковского позволяет наглядно интерпретировать кинематические эффекты специальной теории относительности. Явления, описываемые теорией относительности, называют релятивистскими (от лат. relativus - относительный), так как они проявляют себя при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме с.

Преобразования Х.А. Лоренца

Как уже говорилось, в первой четверти XIX в. была создана теория электромагнитного поля, поэтому принцип относительности Г. Галилея потребовал пересмотра; можно сказать, он родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике и других областях физики. Подобно тому как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла служат количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. (Под инерциалъными понимают такие системы, в которых справедлив закон инерции: материальная точка, на которую не действуют никакие силы, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.) Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными. В 1904 г. нидерландский физик Х.А. Лоренц предложил такие преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, носящие его имя и являющиеся основой специальной (частной) теории относительности:

где v - скорость объекта. При v << с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, но если скорость v сопоставима со скоростью света с, то:

Позднее А. Эйнштейн показал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время.

Принцип относительности А. Эйнштейна

В 1905 г. Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника. Принцип относительности Эйнштейна является расширением принципа относительности Г. Галилея на любые физические явления (механические, оптические, тепловые и др.), которые, согласно этому принципу, протекают одинаково (при одинаковых условиях) во всех инерциальных системах отсчета. Любая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной системы отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, также является инерциальной системой отсчета.

При этом все инерциальные системы отсчета равноправны, т.е. во всех таких системах законы физики одинаковы. Заметим, что французский ученый А. Пуанкаре в 1905 г. (опубликовано в 1906 г.) независимо от Эйнштейна также развил математические следствия «постулата относительности». Эйнштейн так иллюстрировал замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной [30, 31]. Пусть мимо железнодорожной платформы движется поезд со скоростью, близкой к скорости света (рис. 6.3). В точке А1на платформе находится наблюдатель N1. На полу вагона в точке А размещен фонарик. Когда происходит совмещение точки А в вагоне с точкой А1 на платформе, фонарик включается и появляется луч света. Так как скорость его конечная, хотя и большая, то луч достигнет потолка вагона, где расположено зеркало, и отразится за определенное время, за которое поезд уйдет вперед. Для наблюдателя в вагоне луч света пройдет путь 2АВ, а для наблюдателя на платформе - 2АС. Ясно, что чем больше скорость поезда, тем длиннее линия АС. Очевидно, что 2АС > 2AB. Это как раз и говорит о замедлении течения времени внутри движущейся системы по отношению к неподвижной.
Необходимо подчеркнуть, что отрезки длин и промежутки времени изменяются в отношении определенных пространственных координат. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как при отлете.
Время в теории относительности необратимо. Отсюда следует широко известный парадокс близнецов: после путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он увидит, что его брат стал старше его. Приведем еще один парадокс. Представим, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Согласно теории относительности, по часам корабля этот полет продолжался бы один год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын повстречается с 26-летним отцом. Следует заметить, что физиологические процессы здесь абсолютно ни при чем. Нельзя сказать, что за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Дело в том, что в соответствии с теорией относительности не существует абсолютного времени и пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, а в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.
В пользу релятивистского замедления говорит следующий экспериментальный факт. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами или пионами. Время жизни пионов 10-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше 300 см. Но приборы их регистрируют, т.е. они проходят путь, равный 30 км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт так: 10-8 с является естественным временем жизни пиона, измеренным по часам, движущимся вместе с пионом, т.е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше, и за это время он в состоянии пройти земную атмосферу.
Требование неизменности вида основных уравнений физики во всех инерциальных системах отсчета применительно к уравнениям классической механики приводит к необходимости их модификации, сводящейся к замене массы тела т0 (так называемой массы покоя) на, причем т неограниченно возрастает по мере приближения скорости объекта v к скорости света с. Поскольку масса является мерой инерции, последнее утверждение означает, что, даже непрерывно подталкивая тело (частицу), невозможно сообщить ему (ей) скорость, большую или равную скорости света с. При таких скоростях, которые называют релятивистскими, зависимость энергии E тела от его скорости v описывается не формулой классической механики Eкин = mv2/2, а релятивистской формулой, где т — масса покоя.
Из формулы следует, что энергия тела стремится к бесконечности при скоростях, стремящихся к скоростям света, поэтому, если масса покоя не равна нулю, скорость тела всегда меньше с, хотя она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, например, в опытах на ускорителях заряженных частиц, где они движутся со скоростью, практически равной скорости света. Со скоростью света движутся частицы с нулевой массой покоя (фотоны и, возможно, нейтрино). Скорость света является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки в другую.
Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: Е=тс2 - соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие массы у покоящейся частицы говорит о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых количество и сорт частиц могут изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. Так, в атомных ядрах благодаря энергии притяжения частиц общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы).
В заключение заметим, что ряд выводов общей теории относительности качественно отличается от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие из них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени (мест, где формально, по теории, обрывается существование частиц и полей в обычной известной нам форме) и с наличием гравитационных волн (гравитационного излучения). Ограничения общей теории тяготения Эйнштейна обусловлены тем, что эта теория не квантовая, а гравитационные волны можно рассматривать как поток специфических квантов - гравитонов.
Других ограничений применимости теории относительности не обнаружено, хотя неоднократно высказывались предположения, что на очень малых расстояниях понятие точечного события, следовательно, и теория относительности могут оказаться неприменимыми. Современные квантовые теории фундаментальных взаимодействий (электромагнитная, слабого и сильного взаимодействий) основаны именно на геометрии пространства-времени частной теории относительности. Из этих теорий с наиболее высокой точностью проверена квантовая электродинамика лептонов. Неоднократно с высокой точностью повторялись опыты, использовавшиеся для обоснования теории относительности в первые десятилетия ее существования. Сейчас такого рода опыты имеют преимущественно исторический интерес, поскольку основной массив подтверждений общей теории относительности составляют данные, относящиеся к взаимодействиям релятивистских элементарных частиц, где справедливость кинематики частной теории относительности проверена на обширном материале.

§ 6.4. Концепции микромира и квантовая механика

Сущность квантовой механики и границы ее применимости

Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику (иногда ее еще называют волновой механикой). Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их значения, определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников), последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу астрофизических объектов - белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах. В некоторых эффектах (например, Джозефсона) законы квантовой механики проявляются непосредственно в поведении макроскопических объектов.
Ряд крупнейших технических достижений XX в. основан по сути на специфических законах квантовой механики. Например, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления термоядерных реакций в земных условиях, наблюдаются в ряде явлений в металлах и полупроводниках и т.д. Теория квантово-механического излучения составляет фундамент квантовой электроники. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (магнитных, полупроводниковых, сверхпроводящих и др.).
Для классической механики и теории относительности характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве координат и скоростей и зависимости этих величин от времени. Такому описанию соответствует движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако это описание не всегда справедливо, особенно для частиц с очень малой массой (микрочастиц). В таких случаях используют законы квантовой механики.
Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. Мы будем рассматривать в основном сущность нерелятивистской квантовой механики вполне законченной и логически непротиворечивой теории, которая позволяет количественно решать в принципе любую физическую задачу в области своей компетентности. Разработка релятивистской квантовой механики еще не доведена до такого уровня. Например, если в нерелятивистской области можно считать, что движение определяется силами, действующими мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области это допущение несправедливо. Поскольку, согласно теории относительности, взаимодействие передается с конечной скоростью, должен существовать физический агент, переносящий взаимодействие. Таким агентом считается физическое поле. Поэтому можно сказать, что трудности создания релятивистской теории по существу связаны с построением теории поля.
Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка (или кванта действия). Если в условиях конкретной задачи физическая величина, имеющая размерность действия, значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика или теория относительности. Формально это условие и является критерием выбора физической теории для описания картины мира.

История становления квантовой теории

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены две, казалось бы, не связанные между собой группы явлений (установление на опыте двойственной природы света - дуализма света и невозможность объяснить на основе имевшихся представлений существование устойчивых атомов и их оптические спектры), свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привели к открытию законов квантовой механики.
Впервые представления о кванте ввел в 1900 г. М. Планк в работе, посвященной теории теплового излучения тел. Существовавшая в то время теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к бессмысленному результату, а именно тепловое равновесие между излучением и веществом не может быть достигнуто, так как вся энергия должна перейти в излучение. Планк разрешил это противоречие, предположив, что свет испускается не непрерывно, как следует из классической теории излучения, а дискретными порциями энергии - квантами, причем величина кванта энергии зависит от частоты света.
Эта работа Планка стимулировала развитие квантовой механики в двух взаимосвязанных направлениях, завершившееся в 1927 г. окончательной формулировкой квантовой механики в двух ее формах. Первое направление связано с именем А. Эйнштейна, который предложил теорию фотоэффекта (1905). Развивая идею Планка, А. Эйнштейн предположил, что свет квантами не только испускается и поглощается, но и распространяется, т.е. дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций — световых квантов (фотонов).
В 1922 г. А. Комптон экспериментально показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц - фотона и электрона. Таким образом, было доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света — огибании светом различных препятствий) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц — фотонов. Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо считать, что свет имеет волновую природу, а объяснение других предполагало его корпускулярную природу.
В 1924 г. Л. де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 г. Н. Бором условиям квантования атомных орбит, выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно де Бройлю, каждой частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы, при этом не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц. В 1927 г. К. Дэвиссон и Л. Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов.
В 1926 г. Э. Шрёдингер предложил уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях, - возникла волновая механика. Волновое уравнение Шрёдингера является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. В 1928 г. П. Дирак сформулировал релятивистское уравнение, которое описывает движение электрона во внешнем силовом поле и стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики.
Второе направление развития (также являющееся обобщением гипотезы Планка) начинается с работы Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоемкости твердых тел. Дело в том, что электромагнитное излучение, представляющее собой набор электромагнитных волн различных частот, динамически эквивалентно некоторому набору осцилляторов (физических систем, совершающих колебания), а испускание или поглощение волн эквивалентно возбуждению или затуханию соответствующих осцилляторов. Тот факт, что испускание и поглощение электромагнитного излучения веществом происходят квантами с энергией Tiv (h - постоянная Планка, v — частота света), можно объяснить так: осциллятор поля не может обладать произвольной энергией, он может иметь только дискретные уровни энергии, разность между которыми равна tiv. Эйнштейн, обобщая идею квантования энергии осциллятора электромагнитного поля на осциллятор произвольной природы, утверждал, что если тепловое движение твердых тел сводится к колебаниям атомов, то и твердое тело динамически эквивалентно набору осцилляторов с квантованной энергией, т.е. разность соседних уровней энергии равна hv, где v - частота колебаний атомов. Теория Эйнштейна, уточненная П. Дебаем, М. Борном и Т. Карманом, сыграла выдающуюся роль в развитии теории твердых тел.
В 1913 г. Н. Бор применил идею квантования энергии к теории строения атома, планетарная модель которого следовала из результатов опытов Э. Резерфорда (1911). Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Рассмотрение такого движения на основе представлений классической электродинамики приводило к парадоксальному результату — невозможности существования стабильных атомов. Дело в том, что, согласно этим представлениям, электрон не может устойчиво двигаться по орбите, поскольку вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию, а радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и через время 10-8 с электрон должен упасть на ядро. Однако атомы не только существуют, но и весьма устойчивы.
Объясняя устойчивость атомов, Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых классической механикой для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются лишь те, которые удовлетворяют определенным условиям квантования, а именно величина действия для классической орбиты должна быть кратной постоянной Планка. Бор постулировал, что электрон, совершая допускаемое условиями квантования орбит движение (т.е. находясь на определенном уровне энергии), не испускает световых волн. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энергии на другой, с меньшей энергией; при этом рождается квант света. В результате этого возникает линейчатый спектр атома. Бор получил формулу для частот спектра, линий атома водорода (и водородоподобных атомов), охватывающую совокупность открытых ранее эмпирических формул. Существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка - Герца (1913-1914).
Таким образом, Бор, используя квант, постоянную Планка, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также движение электронов в атоме. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма, в соответствии с которым понятия частицы и волны, с одной стороны, дополняют друг друга, а с другой - противоречат друг другу. Он связан также со способами изучения явлений микромира. Существуют два типа приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — как частицы, поэтому экспериментально можно наблюдать квантовые явления, на которые налагается взаимодействие приборов с микрообъектом, а не реальность как таковую.
Успех теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, был достигнут за счет нарушения логической цельности теории: одновременно использовались классическая механика и чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение связи между атомами, приводящей к образованию молекулы, не могла ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой, и т.п.
Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела к пониманию, что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории или орбите), поскольку движение электрона между уровнями не подчиняется законам, определяющим поведение электронов в атоме. Была необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.
В 1925 г. В. Гейзенберг построил формальную схему, где вместо координат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраические величины - матрицы. Связь матриц с наблюдаемыми величинами (уровнями энергии и интенсивностями квантов, переходов) описывалась простыми непротиворечивыми правилами. Развитие М. Борном и П. Иорданом работы Гейзенберга привело к возникновению матричной механики. Уравнение Шрёдингера позволило показать математическую эквивалентность волновой (основанной на уравнении Шрёдингера) и матричной механики. В 1926 г. Борн дал вероятностную интерпретацию волн де Бройля.
Большую роль в создании квантовой механики сыграли работы П. Дирака, который заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации, разработал квантовую статистику (статистика Ферми - Дирака), релятивистскую теорию движения электрона, предсказал позитрон и т.д. Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом произошло в результате работы Гейзенберга (1927), который сформулировал соотношение неопределенностей - важнейшее соотношение, отражающее физический смысл уравнений квантовой механики.
Детальный анализ спектров атомов привел к представлению о том, что электрону кроме заряда и массы должна быть приписана еще одна внутренняя характеристика - спин — собственно момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого. Важную роль сыграл открытый В. Паули (1925) принцип запрета, согласно которому в квантовой системе две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Этот принцип имеет фундаментальное значение в теории атома, молекулы, ядра, твердого тела.
В течение короткого времени квантовую механику с успехом применили для создания теории атомных спектров, строения молекул, химической связи, периодической системы элементов, металлической проводимости и ферромагнетизма. Дальнейшее принципиальное развитие квантовой теории связано главным образом с релятивистской квантовой механикой.

Современные представления об элементарных частицах и атомах

В настоящее время достаточно много известно об атомарном строении вещества и элементарных частицах — мельчайших известных частицах физической материи [7, 16, 23, 24, 28]. Поскольку элементарные частицы способны к взаимным превращениям, это не позволяет рассматривать их, так же как и атом, в качестве простейших, неизменных «кирпичиков мироздания». Число элементарных частиц очень велико. Всего открыто более 350 элементарных частиц, из которых стабильны лишь фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы (каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных, имеет свою античастицу). Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с (свободный нейтрон) до 10-22- 10-24 с (резонансы).
Элементарные частицы классифицируются по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин следующим образом:
◊ группа лептонов - частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой - лептонным зарядом;
◊ адроны — элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное; характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения). Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из трех кварков; мезоны - из кварка и антикварка;
◊ отдельную «группу» составляет фотон.
При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения.
Атомом называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых (10-8 см) определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Соединяясь химически, атомы образуют молекулы.
Внутренняя энергия атома может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Испуская фотон, атом может перейти из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень энергии). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные - возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов.
Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию. По закону сохранения энергии, энергия связи ядра (энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны) равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика по сравнению с энергией связи электронов с атомным ядром. Определить энергию связи ядра можно, зная массу ядра и массы протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Согласно эффекту дефекта массы, масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя входящих в него нуклонов. Энергия связи ядер вычисляется с помощью известного соотношения Эйнштейна E = т/с2, где т - суммарная масса свободных нуклонов минус масса ядра - дефект массы.
Важную информацию о свойствах ядер дает знание удельной энергии связи ядра (энергии связи, приходящейся на один нуклон). С увеличением массового числа - числа нуклонов в ядре — удельная энергия связи, начиная с гелия, сначала слабо растет, достигает максимума у железа (массовое число 56), после чего плавно снижается. Наиболее устойчивы ядра, обладающие самой большой удельной энергией связи, — железо и близкие к нему химические элементы Периодической системы элементов.
Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза - слияния легких ядер. И те, и другие реакции сопровождаются выделением энергии. В тяжелых ядрах наряду с большими силами электрического отталкивания, стремящимися разорвать ядро на части, действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Когда силы отталкивания внутри ядра начинают преобладать над силами притяжения, ядро разрывается на две части. Под действием сил кулоновского отталкивания осколки ядра разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света, испускается излучение высокой частоты.
Не все ядра способны к делению. Наиболее легко делится изотоп урана 235U, составляющий всего 1/140 от более распространенного изотопа 238U. При каждом акте деления ядра испускаются 2-3 нейтрона, которые в свою очередь могут вызывать деление других ядер - начинается ядерная цепная реакция. Она сопровождается выделением огромного количества энергии. Так, при полном делении ядер, находящихся в 1 г урана, выделяется энергия, эквивалентная получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. Управляемая реакция деления ядер реализуется в ядерных реакторах, неуправляемая - в атомной бомбе. Выделение энергии при слиянии ядер легких атомов дейтерия, трития или лития с образованием гелия происходит в ходе термоядерных реакций, протекающих лишь при очень высоких температурах. Реакции ядерного синтеза являются источником звездной энергии. Эти же реакции протекают при взрыве водородной бомбы. Осуществление управляемого термоядерного синтеза на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. В этом отношении наиболее перспективна реакция слияния ядер атома дейтерия и трития.

§ 6.5. Концепции возникновения и развития Вселенной

Модели развития Вселенной

Для понимания физической картины мира большое значение имеют выводы космологии - учения о Вселенной как едином целом и ее эволюции. Наряду с построением теории общей эволюции Вселенной важно получить представления о развитии галактик, звезд и планет. Вопросы происхождения и эволюции небесных тел изучаются особым разделом науки - космогонией.
Для решения космологических и космогонических проблем используют два основных подхода:
1)наблюдательны и: сравнивая характеристики небесных тел, находящихся в разных стадиях развития, можно установить, в какой последовательности эти стадии сменяли друг друга;
2) теоретический: исходя из общих законов физики, можно определить, какие именно условия должны были существовать в прошлом, чтобы небесное тело приобрело именно те характеристики, которыми оно обладает сейчас, какой путь развития оно прошло.
Первый подход применяют к таким объектам, как звезды, звездные скопления, газовые туманности, галактики, планетные системы (сейчас известна лишь одна такая система - Солнечная). При изучении эволюции Вселенной в целом возможен только теоретический подход.
Важнейший постулат космологии состоит в том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной (обычно опытов на планете Земля), могут быть экстраполированы на гораздо большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы закладываются в их основу. Построенные на их базе модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, а выводы теории должны подтверждаться наблюдениями (во всяком случае не противоречить им). Сейчас этому требованию наилучшим образом удовлетворяют разработанные на основе общей теории относительности однородные изотропные модели нестационарной «горячей» Вселенной [1, 3, 10, 19, 20, 27].
Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения (А. Эйнштейн, 1916) и зарождением внегалактической астрономии (1920-е гг.). На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной, т.е. рассмотрению кривизны четырехмерного пространства-времени и возможной замкнутости Вселенной. Начало второго этапа отмечено работами отечественного ученого A.A. Фридмана (1922-1924), который показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной — она должна расширяться или сжиматься. Однако эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия красного смещения (эффекта «разбегания» галактик) Э. Хабблом (1929). В результате на первый план выступили проблемы механики Вселенной и ее возраста (длительности расширения). Третий этап связан с моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, 1940-е гг.), когда внимание в основном было сосредоточено на физике Вселенной - состоянии вещества и физических процессах, идущих на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии. Наряду с законом тяготения в космологии приобретают большое значение законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. На этой основе возникает релятивистская астрофизика.
Теории однородной изотропной Вселенной подразумевают, во-первых, уравнение А. Эйнштейна общей теории относительности, откуда следуют кривизна пространства-времени и связь кривизны с плотностью массы (энергии); во-вторых, представления об однородности и изотропности Вселенной, т.е. считается, что в ней нет каких-либо выделенных точек и направлений, а все точки и направления равноправны; это утверждение часто называют космологическим постулатом.
Если дополнительно предположить, что во Вселенной отсутствуют силы, возрастающие с расстоянием и противодействующие тяготению вещества, а плотность массы создается главным образом веществом, то космологические уравнения приобретают простой вид и возможны только две модели:
◊ открытая модель, в которой кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, а Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик неограниченно возрастают со временем;
◊ замкнутая модель, в которой кривизна пространства положительна, Вселенная конечна, но столь же безгранична, как и в открытой модели; в такой модели расширение со временем сменяется сжатием.
В ходе эволюции Вселенной кривизна трехмерного пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется, т.е. открытая модель остается открытой, а замкнутая - замкнутой. Начальные стадии эволюции по обеим моделям совершенно одинаковы и характеризуются сингулярностью с огромной (не меньше 1093 г/см3) плотностью массы и кривизной пространства и взрывным, замедляющимся со временем расширением. Указанные выше исходные положения релятивистской космологии достаточны для суждений об общем характере эволюции Вселенной, но они оставляют открытым вопрос о ее начальном состоянии. Характеристики начального состояния - третье независимое положение релятивистской космологии.
С 1960-1970-х гг. общепринята модель «горячей» Вселенной, в соответствии с которой предполагается высокая начальная температура. В условиях очень высокой температуры (Т >1013 К) вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы или атомы, но и атомные ядра, а была лишь равновесная смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Физика элементарных частиц позволяет рассчитать состав такой смеси при разных температурах, соответствующих этапам эволюции, а уравнения космологии — найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение ее физических параметров в процессе расширения. Поскольку расширение вначале происходило с большой скоростью, то высокие плотность и температуры могли быть только очень короткое время. Уже по окончании начального отрезка времени 0,01 с плотность упала от бесконечного (формально) значения до 1010 г/см3. Во Вселенной в момент t ≈ 0,01 с сосуществовали фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшая доля нуклонов (протонов и нейтронов). В результате последующих превращений к моменту времени 3 мин из нуклонов образовалась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия по массе). Все остальные химические элементы синтезировались намного позднее из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций в недрах звезд. В момент образования нейтральных атомов гелия и водорода (при t ≈ 106лет) вещество стало прозрачным для оставшихся фотонов, и в настоящее время они наблюдаются в виде реликтового (остаточного) излучения, свойства которого можно предсказать на основе теории «горячей» Вселенной. Вначале расширение Вселенной происходило очень быстро, но процессы превращений элементарных частиц протекали намного быстрее, в результате чего установилось термодинамическое равновесие. Это чрезвычайно важное обстоятельство, поскольку такое состояние полностью описывается макроскопическими параметрами (определяемыми скоростью расширения) и совершенно не зависит от предшествующей истории. Незнание того, что происходило при плотностях, намного превосходящих ядерную, не мешает делать более или менее достоверные суждения о последующих состояниях, описываемых законами современной физики микромира. Общие законы физики надежно проверены при ядерной плотности 1014 г/см3 (эту плотность имела Вселенная спустя 10-4 с от начала расширения). Следовательно, физические свойства эволюционирующей Вселенной вполне поддаются изучению со времени 10 сек от состояния сингулярности.
Выводы релятивистской космологии принципиальны для понимания физической картины мира. Следовательно, степень их достоверности представляет общенаучный и мировоззренческий интерес. Считают, что наибольшее значение имеют выводы о нестационарности (расширении) Вселенной, о высоких значениях плотности и температуры в начале расширения («горячая» Вселенная) и об искривленности пространства-времени, а также о знаке кривизны трехмерного пространства окружающего мира и степени однородности и изотропии Вселенной. Вывод о нестационарности Вселенной подтвержден обнаруженным в спектрах галактик красным смещением, а концепция «горячей» Вселенной - открытым в 1965 г. реликтовым излучением, которое оказалось в высокой мере (с точностью до долей процента) изотропным, а спектр его равновесным. Как мы уже говорили, его температура составляет около 3 К. Это доказывает, что Вселенная на протяжении более 99% времени своего существования изотропна.
В настоящее время не установлено, какая модель кривизны трехмерного пространства наиболее адекватно отражает действительность. Кривизну можно определить по известной средней плотности массы во Вселенной или по точной зависимости красного смещения от расстояния (отклонению от линейной зависимости). Астрономические наблюдения дают значения усредненной плотности вещества, входящего в видимые галактики, около 3·10-31 г/см3. Гораздо труднее определить плотность скрытого (невидимого) вещества, а тем более плотность, создаваемую нейтрино (если масса нейтрино не равна нулю), поэтому неопределенность суммарной плотности вещества Вселенной весьма велика; она может быть на два порядка больше усредненной плотности звездного вещества. На основе имеющихся данных нельзя сделать выбор между открытой (расширяющейся безгранично) и замкнутой (расширение в далеком будущем сменится сжатием) моделями. Эта неопределенность не сказывается на общем характере расширения в прошлом и сейчас, но влияет на определение возраста Вселенной (длительность расширения). Если бы расширение происходило с постоянной скоростью, то время, истекшее от момента изначального взрыва, составляло бы около 13 млрд лет. Но предполагается, что расширение идет с замедлением, поэтому время, истекшее с момента начала расширения, меньше — 8,7 млрд лет. Для замкнутых моделей это время будет еще меньше. С другой стороны, если существуют космологические силы, соответствующие силам отталкивания, то оказывается возможной, например, длительная (10 млрд лет или более) задержка расширения в прошлом; тогда возраст Вселенной может составлять десятки миллиардов лет.
Развитие космологии поставило ряд новых проблем. Так, для изучения состояния вещества с плотностью намного порядков выше ядерной плотности нужна совершенно новая физическая теория; предполагается, что это должен быть некий синтез существующей теории тяготения и квантовой теории. Подходы к изучению сингулярности пока лишь намечаются. Кроме того, возник вопрос о единственности Вселенной. В рамках современной космологии считается, что Метагалактика единственна. Но проблемы пространства-времени разработаны еще недостаточно для того, чтобы составить представление о возможностях, которые могут быть реализованы в природе. В теории космологии не решена и проблема зарядовой асимметрии во Вселенной. В нашем космическом окружении (во всяком случае в пределах Солнечной системы и Галактики, но, вероятно, и в пределах всей Вселенной) имеет место количественное преобладание вещества над антивеществом. Причины этого кроются, по-видимому, в самых ранних стадиях развития Вселенной.

Происхождение и эволюция звезд и галактик

В настоящее время установлено, что звезды и звездные скопления имеют разный возраст — от 10 лет (шаровые звездные скопления) до 10 лет для самых молодых (рассеянные звездные скопления и звездные ассоциации). В этой картине еще много неясного, многое подлежит уточнению, однако в главных чертах она представляется достаточно обоснованной [1,9, 10, 19, 29]. В общем виде эволюция звезд проходит несколько стадий:
◊ возникновение звезды в результате конденсации межзвездных пыли и газа, богатого водородом;
◊ стадия термоядерных реакций превращения водорода в гелий в центре звезды (наиболее длительная);
◊ при исчерпании в центре водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется; даже при увеличении светимости температура поверхности падает - звезда становится красным гигантом;
◊ термоядерное загорание гелия и более тяжелых элементов в ядре звезды, сопряженное в ряде случаев со сбросом водородной оболочки и образованием так называемой планетарной туманности;
◊ остывание остатка звезды, переход в стадию белого карлика.
В зависимости от начальной массы, возможно, и от момента вращения звезды могут завершить свою эволюцию взрывом сверхновой (с остатком в виде нейтронной звезды либо без остатка). Согласно общей теории относительности, наиболее массивные звезды, сохранившие свою массу вплоть до исчерпания термоядерного горючего, должны коллапсировать в состояние черной дыры.
Важной характеристикой является вращение звезды вокруг своей оси. Звезды с высокой температурой вращаются очень быстро - экваториальная скорость вращения у них, как правило, превышает 100 км/с. Скорость вращения звезды падает с уменьшением ее температуры. Например, у Солнца скорость вращения точек экватора составляет всего около 2 км/с.
Считается, что первичная туманность, из которой образуется звезда, имеет начальный момент количества движения. Если бы этот момент количества движения сохранялся, то звезды не образовывались, так как туманность, сжимаясь, увеличивала бы скорость вращения и разорвалась задолго до этого. Очевидно, что момент количества движения каким-то образом удаляется из туманности. Полагают, что это происходит следующим образом. Конденсирующаяся туманность связана с окружающей менее плотной средой магнитным полем. Поскольку межзвездная материя «приклеена» к магнитным силовым линиям, то вращение конденсирующейся туманности передается окружающей среде и туманность теряет момент количества движения до тех пор, когда плотность протозвезды становится достаточно высокой. Окончательно сконденсировавшаяся звезда должна иметь экваториальную скорость несколько сот километров в секунду независимо от массы. Для горячих звезд наблюдения дают именно такую скорость вращения. У холодных звезд скорость вращения гораздо меньше. Так, в Солнечной системе 98% момента количества движения принадлежит планетам и только 2% - Солнцу. Медленное вращение холодных звезд может быть объяснено наличием у них планетных систем, аналогичных Солнечной. Если это так, то число планетных систем в Галактике достаточно велико.
Соотношение общего количества звездного и межзвездного вещества в галактиках со временем убывает, поскольку из межзвездной диффузной (рассеянной) материи образуются звезды, которые в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвездное пространство только часть вещества; некоторая его часть остается в белых карликах и в нейтронных звездах. Перерабатываясь в звездных недрах, вещество галактик постепенно изменяет химический состав, обогащаясь гелием и тяжелыми элементами. Считается, что галактики образовались из газовых облаков, которые состояли главным образом из водорода. Возможно, эти облака содержали только водород, а гелий и тяжелые элементы появились в результате термоядерных реакций внутри звезд. Однако самые тяжелые ядра (уран и торий) не могли образоваться в этом процессе. Предполагается, что они возникают при вспышках сверхновых звезд в результате быстрого их сжатия (коллапса) и последующего взрыва.
Столкновения облаков межзвездного газа приводят к постепенному уменьшению их скорости, кинетическая энергия переходит в тепловую и меняются форма и размеры газового облака. Согласно расчетам, в случае быстрого вращения такое облако должно принять форму сплющенного диска, как, например, форма нашей Галактики. Если же облако вращается медленно, формируется не спиральная галактика, а эллиптическая.

Происхождение Солнечной системы

Наибольшее развитие получила космогония Солнечной системы (планетная космогония) [1, 29]. Еще Р. Декарт (1644) высказал предположение, что Солнечная система образовалась из облака газа и пыли. Аналогичную гипотезу позднее развивали Ж.Л. Бюффон (1749) и И. Кант (1755). Они полагали, что в центре облака возникло Солнце, в периферийных его частях - планеты. Согласно предположению Ж.Л. Лапласа (1796), из-за вращения туманности возникает так называемая ротационная неустойчивость, вследствие чего туманность сплющивается, принимая форму чечевицы. С ее экватора выбрасывается вещество, из которого вокруг туманности образуются плоские кольца, похожие на кольца Сатурна; впоследствии газ, выброшенный из туманности, конденсируется в планеты.
В начале XX в. английский ученый Дж.Х. Джине предложил космогоническую гипотезу, в соответствии с которой Солнце, как и другие звезды, сформировалось без планетной системы, она появилась только в результате катастрофы: другая звезда прошла настолько близко к Солнцу, что вырвала из его недр часть вещества. В результате его конденсации и образовались планеты. Однако впоследствии было установлено, что выдвинутые Джинсом предположения недостаточно обоснованны.
До сих пор представления о происхождении и ранней эволюции Солнечной системы не приобрели характера законченной теории. Тем не менее считается, что основные события, происходившие во время зарождения Солнца и планет, уже во многом установлены. Выделяют [1] несколько этапов (рис. 6.4):

1. Сначала произошло уплотнение облака межзвездного вещества, состоящего из молекул (Н2, Н2О, ОН и др.) и пыли. Возможно, что уплотнение было обусловлено взрывом сверхновой звезды под действием ударной волны, которая распространилась от нее во все стороны. Продукты взрыва проникли в межзвездную пыль, которая впоследствии вошла в состав углистых хондритов (самых древних каменных метеоритов).
2. Наиболее плотные участки облака с массами порядка звездных начинают сжиматься. Облако распадается на фрагменты, один из которых впоследствии порождает Солнце и Солнечную систему. В центре сжимающегося фрагмента образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции. (Аккреция - захват окружающей разреженной среды, приток которой постепенно увеличивает массу ядра.)
3. Через 104- 105 лет после начала сжатия фрагмента масса центрального сгущения достигает примерно 0,1 массы Солнца, вещество становится непрозрачным, температура возрастает и пыль испаряется. После испарения пыли происходит диссоциация (распад) молекулярного водорода. При этом центральное сгущение сжимается, образуя газовое Протосолнце, которое формируется очень быстро (10-100 лет). В результате аккреции межзвездного вещества Протосолнцем его масса и радиус увеличиваются. Примерно через 105 лет масса достигает современного уровня, а радиус становится примерно в 100 раз больше современного.

Приток межзвездного вещества прекращается, и начинается стадия гравитационного сжатия Протосолнца. В течение этого периода уже существует дискообразная газово-пылевая протопланетная туманность (ППТ), центром которой является Протосолнце. Оценки максимальной массы ППТ в разных теоретических моделях различны: от 0,01 до 2 масс Солнца. При этом не исключено, что диск ППТ приобретает кольцевую структуру, а во внешней его части начинается формирование планет-гигантов, которое происходит в общем так же, как и образование Протосолнца, включая образование дисков; впоследствии из них формируются системы спутников.
4. Следующий период занимает около 108 лет. Продолжается гравитационное сжатие Протосолнца. Размеры его уменьшаются, приближаясь к современным. Мощный звездный ветер выметает газ из внутренней части ППТ, а во внешней ее части продолжается формирование планет-гигантов. Пылевое вещество ППТ все более концентрируется у некоторой средней плоскости. Вследствие роста концентрации пылинки сталкиваются, появляются все более крупные частицы, идет процесс аккумуляции (роста) твердых тел. Происходит преимущественный рост больших тел за счет малых. Наиболее крупные тела, подобные астероидам, — это планетезимали, зародыши планет. Особо крупные тела становятся ядрами аккреции, вокруг которых происходит формирование планет земной группы. Рост Земли до современных размеров продолжался, по-видимому, около 108 лет (есть оценки 105 лет). На поверхности планет обрушивались огромные глыбы планетезималей, образовывались гигантские кратеры, часть вещества выбрасывалась в пространство, материал поверхностей непрерывно перерабатывался. Согласно некоторым моделям, процесс аккреции был неоднородным — вначале накапливались тяжелые и менее тугоплавкие элементы (железо), а силикатные мантии образовались позже. Не все ученые согласны с приведенным описанием процесса образования планет земной группы. Так, в соответствии с альтернативной гипотезой их родоначальниками были крупные протопланеты (подобные Юпитеру или Сатурну), которые потеряли газовую оболочку из-за приливного взаимодействия с Солнцем.
В картине образования Вселенной, галактик, звезд, планет много неясного. Однако познание тонких механизмов эволюции Вселенной и ее частей продолжается. В частности, современная наука дает основания полагать, что у многих звезд существуют планетные системы. Какие именно звезды обладают планетными системами, аналогичными Солнечной? Обитаемы ли эти планетные системы, и если да, то часто ли встречается во Вселенной разумная жизнь? В последние десятилетия эту проблему исследуют на научной основе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что дает основания для выделения микро-, макро- и мегамиров? Что эти миры объединяет? Какие концепции наиболее полно описывают физические явления каждого из этих миров?
2. Каковы основные принципы классической механики? Как формировались взгляды классической механики? В чем сущность принципа относительности Г. Галилея?
3. В чем суть теории относительности и какие явления она описывает?
4. Каков смысл и зачем нужны преобразования Х.А. Лоренца?
5. В чем заключается сущность принципа относительности А. Эйнштейна? Чем он отличается от принципа относительности Г. Галилея?
6. Что изучает квантовая механика? Какие явления описываются в рамках этой теории?
7. Как возникли и развивались квантово-механические представления?

8.    Как современные ученые определяют элементарные частицы и атомы? Могут ли они считаться простейшими «кирпичиками материи»?
9.    Какие модели возникновения и эволюции Вселенной вы знаете? Каковы их основные позиции? На основании чего современное естествознание делает заключение об этом?
10.  Как формировались звезды и галактики? На основании чего современное естествознание делает заключение об этом?
11.   Какие теории о происхождении Солнечной системы вы знаете? В чем их сущность?

ЛИТЕРАТУРА

1. Бакунин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М., 1983.
2. Вайскопф В. Наука и удивительное. Как человек понимает природу. М., 1965.
3. Вейнберг С. Гравитация и космология. М., 1975.
4. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М., 1980.
5. Готт B.C. Философские вопросы современной физики. М., 1988.

6. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Структурный курс основ естествознания. М., 2000.

1. Давыдов A.C. Теория атомного ядра. М., 1958.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск, 1997.

9. Зельдович Я.Б, Блинников С.И., Шакура Н.И. Физические основы строения и эволюции звезд. М., 1981.

1. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975.
2. Карнап Р. Философские основания физики. М., 1971.
3. Концепции современного естествознания /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.
4. Крейчи В. Мир глазами современной физики. М., 1984.
5. Кудрявцев П.С. История физики. М., 1948-1971. Т. 1-3.
6. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.
7. Ландау Л.Д., Смородинский Я.А. Лекции по теории атомного ядра. М., 1955.
8. Линднер Г. Картины современной физики. М., 1977.
9. Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир. М., 1975.
10. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1979.
11. Пиблс П. Физическая космология. М., 1975.
12. Плат М. Единство физической картины мира. М., 1966.
13. Прошлое и будущее Вселенной. М., 1986.
14. Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М., 1984.
15. Семь путешествий в микромир. М., 1986.
16. Тюлина H.A. История и методология механики. М., 1979.
17. Физический энциклопедический словарь. М., 1983.
18. Шама Д. Современная космология. М., 1973.
19. Широков ЮМ, Юдин Н.П. Ядерная физика. М., 1980.
20. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1980.
21. Эйнштейн А. Эволюция физики. М., 2001.
22. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1966.
23. Эрдеи-Груз Т. Основы строения материи. М., 1976.

.

Комментарии (2)
Обратно в раздел Наука