Реферат: Естественнонаучная картина мира
Взаимопревращаемость – характерная черта субатомных частиц. Электромагнитной картине мира была присуща стабильность; недаром в ее основе лежат стабильные частицы – электрон, позитрон и фотон. Но стабильные элементарные частицы – это исключение, а правилом является нестабильность. Почти все элементарные частицы нестабильны – они самопроизвольно (спонтанно) распадаются и превращаются в другие частицы. Взаимопревращения происходят и при столкновениях частиц. Подчеркнем, что при столкновениях в действительности происходит не расщепление частиц, а рождение новых частиц; они рождаются за счет энергии сталкивающихся частиц. При этом возможны не любые превращения частиц. Способы преобразования частиц при столкновениях подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира субатомных частиц. В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего, это законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса продуктов распада меньше массы покоя распадающейся частицы. Существует много специфических ”зарядов”, сохранение которых также регулируют взаимопревращения частиц: барионный заряд, четность (пространственная, временная и зарядовая), странность, очарование и др. Некоторые из них не сохраняются при слабых взаимодействиях. Законы сохранения связаны с симметрией, которая, как считают многие физики, является отражением гармонии фундаментальных законов природы. Видимо, не зря еще философы древности рассматривали симметрию как воплощение красоты, гармонии и совершенства. Можно даже сказать, что симметрия в единстве с асимметрией правят миром.
Квантовая теория показала, что вещество постоянно находится в движении, не оставаясь в состоянии покоя ни на мгновение. Это говорит о фундаментальной подвижности материи, ее динамизме. Материя не может существовать без движения и становления. Частицы субатомного мира активны не потому, что они очень быстро движутся, но потому, что они – процессы сами по себе. Поэтому говорят, что вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы, существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Эти взаимодействия питает бесконечный поток энергии, проявляющийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических структур. В результате взаимодействий образуются устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела. Эти единицы также ритмически колеблются. Все субатомные частицы имеют релятивистскую природу, и их свойства невозможно понять вне их взаимодействий. Все они неразрывно связаны с окружающим их пространством, и не могут рассматриваться в отрыве от него. С одной стороны, частицы оказывают влияние на пространство, с другой – они являются не самостоятельными частицами, а, скорее, сгустками поля, пронизывающими пространство. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир, несмотря на то, что в этом мире безраздельно властвует ритм, движение и непрестанное изменение.
Динамическая природа мироздания проявляется не только на уровне бесконечно малого, но и при изучении астрономических явлений. Мощные телескопы помогают ученым следить за непрестанным движением вещества в космосе. Вращающиеся облака газообразного водорода, сгущаясь, уплотняются и постепенно превращаются в звезды. При этом температура их сильно возрастает, они начинают светиться. Со временем водородное топливо выгорает, звезды увеличиваются в размерах, расширяются, затем сжимаются и заканчивают свою жизнь гравитационным коллапсом, при этом некоторые из них превращаются в черные дыры. Все эти процессы происходят в различных уголках расширяющейся Вселенной. Таким образом, вся Вселенная вовлечена в бесконечный процесс движения или, говоря словами восточных философов, в постоянный космический танец энергии.
• Вероятность в современной картине мира
Механическая и электромагнитные картины мира построены на динамических закономерностях. Вероятность там допускается лишь в связи с неполнотой наших знаний, подразумевая, что с ростом знаний и уточнением деталей вероятностные законы уступят место динамическим. В современной картине мира ситуация принципиально иная – здесь фундаментальными являются вероятностные закономерности, несводимые к динамическим. Нельзя точно предсказать, какое превращение частиц произойдет, можно говорить только о вероятности того или иного превращения; нельзя предсказать момент распада частицы и т.д. Но это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом. Поведение любой части целого обусловлено ее многочисленными связями с последним, а поскольку об этих связях мы, как правило, не знаем, нам приходится от классических понятий причинности перейти к представлениям о статистической причинности.
Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым вероятность атомных явлений определяется динамикой всей системы. Если в классической физике свойства и поведение целого определяются свойствами и поведением его отдельных частей, то в квантовой физике все обстоит совершенно иначе: поведение частей целого определяется самим целым. В современной картине мира случайность стала принципиально важным атрибутом; она выступает здесь в диалектической взаимосвязи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность вероятностных закономерностей. Случайность и неопределенность лежат в основе природы вещей, поэтому язык вероятности стал нормой при описании физических законов. Господство вероятности в современной картине мира подчеркивает ее диалектичность, а стохастичность и неопределенность являются важными атрибутами современного рационализма.
• Физический вакуум
Фундаментальные бозоны представляют возбуждения силовых полей. Когда все поля находятся в основном (невозбужденном) состоянии, то говорят, что это и есть физический вакуум.
В прежних картинах мира вакуум рассматривался просто как пустота. В современной – это не пустота в обычном смысле, а основное состояние физических полей, вакуум ”заполнен” виртуальными частицами. Понятие ”виртуальная частица” тесно связано с соотношением неопределенностей для энергии и времени. Она принципиально отличается от обычной частицы, которую можно наблюдать в эксперименте.
Виртуальная частица существует столь малое время ∆t, что определяемая соотношением неопределенностей энергия ∆E =~/∆t оказывается достаточной для ”рождения” массы, равной массе виртуальной частицы. Эти частицы появляются сами по себе и тут же исчезают, считается, что они не требуют затрат энергии. По замечанию одного из физиков, виртуальная частица ведет себя как кассир-мошенник, регулярно успевающий вернуть взятые из кассы деньги, прежде чем это заметят. В физике мы не так редко встречаемся с вполне реально существующим, но до случая себя не проявляющим. Например, атом в основном состоянии не испускает излучения. Значит, если на него не действовать, он останется ненаблюдаемым. Говорят, что виртуальные частицы ненаблюдаемы. Но они ненаблюдаемы до тех пор, пока на них определенным образом не подействовать. Когда же они сталкиваются с реальными частицами, имеющие соответствующую энергию, то происходит рождение реальных частиц, т.е. виртуальные частицы превращаются в реальные.
Физический вакуум представляет собой пространство, в котором рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. В этом смысле физический вакуум обладает определенной энергией, соответствующей энергии основного состояния, которая постоянно перераспределяется между виртуальными частицами. Но воспользоваться энергией вакуума мы не можем, потому что это самое низкое энергетическое состояние полей, соответствующее самой минимальной энергии (меньше быть не может). При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей – тогда будут наблюдаться обычные частицы. С этой точки зрения обычный электрон теперь представляется как бы окруженным ”облаком” или ”шубой” виртуальных фотонов. Обычный фотон движется ”в сопровождении” виртуальных электрон-позитронных пар. Рассеяние электрона на электроне можно рассматривать как обмен виртуальными фотонами. Точно так же каждый нуклон окружен облаками мезонов, которые существуют очень недолго. При некоторых обстоятельствах виртуальные мезоны могут превратиться в реальные нуклоны. Виртуальные частицы спонтанно возникают из пустоты и снова в ней растворяются, даже если поблизости нет других частиц, которые могут участвовать в сильных взаимодействиях. Это также свидетельствует о неразрывном единстве вещества и пустого пространства. Вакуум содержит бесчисленное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц. Связь между виртуальными частицами и вакуумом имеет динамическую природу; образно говоря, вакуум есть ”живая пустота” в полном смысле этого слова, в его пульсациях берут начало бесконечные ритмы рождений и разрушений.
Как показывают эксперименты, виртуальные частицы в вакууме вполне реально воздействуют на реальные объекты, например, на элементарные частицы. Физики знают, что отдельные виртуальные частицы вакуума невозможно обнаружить, но их суммарное воздействие на обычные частицы опыт замечает. Все это соответствует принципу наблюдаемости.
Многие физики считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики. Из пустого вместилища всех физических явлений пустота превратилась в динамическую сущность огромной важности. Физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд, проявляются именно при взаимодействии с вакуумом. Поэтому любой физический объект в настоящее время рассматривается как момент, элемент космической эволюции Вселенной, а вакуум считается мировым материальным фоном. Современная физика демонстрирует, что на уровне микромира материальные тела не имеют собственной сущности, они являются неразрывно связанными со своим окружением: их свойства могут восприниматься только в терминах их воздействий с окружающим миром. Таким образом, неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого – этот факт получает признание в современной физике и космологии.
В отличие от предыдущих картин мира, современная естественнонаучная картина рассматривает мир на существенно более глубоком, более фундаментальном уровне. Атомистическая концепция присутствовала во всех прежних картинах мира, но только в XX в. удалось создать теорию атома, позволившую объяснить периодическую систему элементов, образование химической связи и т.д. Современная картина объяснила мир микроявлений, исследовала необычные свойства микрообъектов и радикальным образом воздействовала на наши представления, которые вырабатывались веками, заставила кардинально пересмотреть их и решительно порвать с некоторыми традиционными взглядами и подходами.
Все прежние картины мира страдали метафизичностью; они исходили из четкого разграничения всех исследуемых сущностей, стабильности, статичности. Сначала преувеличивалась роль механических движений, все сводилось к законам механики, затем – к электромагнетизму. Современная картина мира порвала с такой ориентацией. В ее основе лежат взаимопревращения, игра случая, многообразие явлений. Основанная на вероятностных законах, современная картина мира диалектична; она значительно точнее, чем прежние картины, отражает диалектически противоречивую действительность.
Раньше вещество, поле и вакуум рассматривали раздельно. В современной картине мира вещество, как и поле, состоит из элементарных частиц, которые взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. Вакуум ”превратился” в одну из разновидностей материи и ”состоит” из виртуальных частиц, взаимодействующих друг с другом и с обычными частицами. Таким образом, исчезает граница между веществом, полем и вакуумом.
На фундаментальном уровне все грани в природе действительно оказываются условными.
В современной картине мира физика тесно объединяется с другими естественными науками – она фактически сливается с химией и выступает в тесном союзе с биологией; недаром эту картину мира называют естественнонаучной. Для нее характерно стирание всех и всяческих граней. Здесь пространство и время выступают как единый пространственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движение объединяются и образуют единый объект, вещество и поле взаимопревращаются. Исчезают границы между традиционными разделами внутри самой физики, а, казалось бы, такие далекие дисциплины, как физика элементарных частиц и астрофизика, оказываются настолько связанными, что многие говорят о революции в космологии.
Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется общим закономерностям.
Литература
1. В.Г. Архипкин, В.П. Тимофеев. Естественнонаучная картина мира. Учебное пособие по дисциплине. "Концепция современного естествознания"