Архипкин В.Г., Тимофеев В.П. Естественно-научная картина мира

Подождите немного. Документ загружается.

становятся все сильнее и сильнее – чем ближе к центру дыры,

тем тяготение будет сильнее. Поэтому точки тела, находящиеся

ближе к центру, будут притягиваться сильнее, чем расположен-

ные дальше. В результате притягиваемое тело будет растягивать-

ся. Подобное растяжение испытывает водная оболочка Земли – ее

океаны, которые притягиваются Луной. Так возникают приливы, а

эти силы называют приливными. В начале падения наблюдателя

в черную дыру его приливное растяжение может быть ничтож-

ным, но оно будет нарастать в ходе падения. Теория показывает,

что любое тело, попав в черную дыру, окажется в области, где

приливные силы становятся бесконечными (сингулярность внут-

ри черной дыры). Здесь любое тело будет разорвано на части,

перестав существовать как целое. Это означает, что в сингуляр-

ности время как бы перестает существовать, так как оно зависит

от протекающих процессов.

Теория утверждает, что в сингулярности свойства времени из-

меняются настолько сильно, что его непрерывный поток обрыва-

ется, оно распадается на кванты. Но так как в теории относитель-

ности время и пространство едины, то в сингулярности на кванты

распадается и единое пространство-время. Точной теории этого

явления пока нет. Но оценки приводят к чудовищно малым вели-

чинам квантов времени, называемых планкеонами: τ = 10

−43

пространственные размеры этих квантов l = τ ·c = 10

−33

см. Вооб-

разить такие масштабы мы не в состоянии. По-видимому, меньших

промежутков времени, чем указанные, не существует.

Итак, в центре черной дыры имеет место сингулярность, где

время распадается на дискретные кванты, а с приближением к

ней понятия ”раньше” и ”позже” полностью теряют смысл, и, воз-

можно, оказывается бессмысленным вопрос, что будет после син-

гулярности?

В сингулярности свойства времени сильно изменяются, приоб-

ретая квантовые черты. Образно можно сказать, что река времени

дробится на неделимые далее капли... Но нельзя считать, что син-

гулярность – это граница времени, за которой существование ма-

терии происходит вне времени. Здесь пространственно-временные

формы существования материи приобретают совсем особенный ха-

рактер, а многие привычные понятия становятся даже бессмыслен-

ными. Однако это пока гипотезы, поскольку о характере законов

природы на таких масштабах пока только догадываются. Это тео-

191

ретические выводы, которые опираются на всю современную фи-

зику. Но не исключено, что с дальнейшим развитием физики они

могут претерпеть изменения.

Черная дыра искривляет ход лучей света тем сильнее, чем бли-

же эти лучи к гравитационному радиусу. Причем это искривление

может быть таким сильным, что луч может начать двигаться по

окружности или начать двигаться по спирали, падая в черную

дыру. В лабораторных условиях организовать черную дыру в на-

стоящее время не представляется возможным. Возникает вопрос:

”А существуют ли такие явления в природе, во Вселенной, в кос-

мосе?”

Оказывается, что черные дыры принадлежат к числу объектов,

которые активно исследуются современной астрофизикой и слу-

жат иллюстрацией действия теории относительности. Такое мо-

жет иметь место на заключительных этапах жизни звезд, когда в

них выгорает ядерное топливо. Хорошо известно, что звезды све-

тятся из-за их разогрева за счет ядерных реакций, идущих в ее

недрах. Это не позволяет им сжиматься под действием гравита-

ции. Однако, когда падает давление и температура в центральной

части звезды, она под действием собственного притяжения начи-

нает сжиматься. Если масса звезды меньше массы Солнца, то в

результате сжатия она превращается в белого карлика – неболь-

шую звезду с плотностью около тысячи тонн в 1 см

. Если ее масса

превосходит полторы солнечные массы, то сжатие продолжается

дальше. Звезда теряет устойчивость, взрываются остатки ядер-

ного горючего, сохранившиеся в поверхностных слоях, со звезды

срывается ее внешняя оболочка. Происходит явление, называемое

вспышкой Сверхновой.

Если же масса сжимающейся звезды превосходит солнечную в

2–3 раза и более, то согласно теории тяготения даже при огром-

ной плотности спрессованного вещества, достигающей плотности

атомного ядра, упругость прижатых тел не может остановить ка-

тастрофического сжатия. Происходит, как говорят, гравитацион-

ный коллапс. В процессе сжатия напряженность поля тяготения

на поверхности коллапсирующего тела растет, и наступает момент,

когда вторая космическая скорость оказывается равной скорости

света. Пространство сколлапсированного объекта как бы ”схлопы-

вается”, и для внешнего наблюдателя он перестает существовать.

Это и есть черная дыра. Так как при коллапсе масса звезды не

192

меняется, то сохраняется ее статическое гравитационное поле. И

хотя сколлапсированная звезда как бы исчезает из нашего мира, в

действительности она продолжает взаимодействовать с окружаю-

щими объектами своим полем тяготения. Астрономические рас-

четы показывают, что в нашей Галактике примерно 30% звезд

обладают массами достаточно большими, чтобы их существова-

ние закончилось гравитационным коллапсом. Подсчитано, что в

нашей Галактике черных дыр не меньше миллиарда. Их можно

считать останками ”умерших” звезд. Можно сравнить черные ды-

ры с ”захоронениями” некогда светящегося звездного вещества.

Существует возможность возникновения черной дыры незвездно-

го происхождения.

Как обнаружить черную дыру? Они не испускают излучения и,

кроме того, находятся столь далеко от нас и столь малы, что не

стоит и пытаться искать их в виде черных пятен на небе, в кото-

рых не видно звезд. Отклонение света черными дырами тоже ма-

лоперспективно. Все, что остается наблюдаемым от черной дыры,

так это ее гравитационное поле. Если по какой-либо причине гра-

витационное поле вокруг черной дыры меняется, например, на нее

падает звезда, то в пространстве должны распространяться грави-

тационные волны, которые можно пытаться зарегистрировать.

Гравитационное поле черной дыры также может воздейство-

вать на ее окружение: газ, пыль или соседние звезды. Существует

несколько возможностей. Например, в некоторой двойной систе-

ме, один из компонентов которой – обычная, хорошо наблюдаемая

звезда, второй – черная дыра. Наблюдая за движением видимой

звезды, мы, в принципе, можем определить массу невидимого ком-

понента, о котором ничего не знаем, а только подозреваем его

в ”чернодырочности”. Если ее масса окажется больше некоторой

критической, необходимой для существования черной дыры, это

будет служить доказательством, что невидимый компонент есть

черная дыра, так как ни белый карлик, ни нейтронная звезда та-

кой массой обладать не могут.

Имеется другая возможность. Если межзвездный газ падает

под действием гравитации на черную дыру, он будет нагреваться

и излучать энергию. Поэтому искать черную дыру следует в двой-

ных системах. Эволюция этих звезд отличается от эволюции оди-

ночных звезд, что обусловлено перетеканием значительных масс

вещества от одной звезды на другую под действием тяготения.

193

В настоящее время черные дыры еще не наблюдали. Но уже

имеются подозрения и качественные доказательства, где их ис-

кать. В заключение интересно отметить, что еще в 1795 г. П. Ла-

плас написал, что если бы диаметр светящейся звезды с той же

плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил диаметр Солн-

ца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных

ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено,

что самые большие из светящихся тел по этой причине являются

невидимыми. Таким образом, за 120 лет до создания общей теории

относительности Лаплас предвосхитил возможность существова-

ния черных дыр. Еще раньше об этом писал священник Митчел

(1783 г.).

6.4. Симметрия пространства и времени

Мы уже отмечали, что симметрия относится не только к пред-

метам, но и ко всем физическим явлениям и законам. Оказывает-

ся, что физические законы инвариантны, т.е. неизменны, отно-

сительно перемещений и поворотов в пространстве. Это обу-

словлено свойствами симметрии пространства.

Пространство непрерывно и однородно. Непрерывность про-

странства означает, что оно является сплошным, и разрывы в нем

отсутствуют. Однородность пространства заключается в физиче-

ской равнозначности всех его точек или в том, что законы при-

роды не зависят от выбора места, они всюду одинаковы. Одно-

родность отражает свойство симметрии пространства, называемое

симметрией по отношению к переносам (сдвигам) в простран-

стве. Закон сохранения импульса есть следствие однородности

пространства. Таким образом, перемещения в пространстве недо-

статочно для изменения состояния системы – это может произойти

только в результате взаимодействия с другими системами.

В пространстве также нет и физически выделенных направле-

ний – пространство изотропно, т.е. его свойства не зависят от

направления. Закон сохранения момента импульса есть следствие

изотропности пространства. Изотропность отражает симметрию

пространства по отношению к поворотам в пространстве – поворот

системы в пространстве не изменяет ее свойств.

Однородно не только пространство, но и время. Все физические

процессы идут одинаково, когда бы они не начались. Это отражает

как равномерность хода времени, так и то, что относительная ско-

194

рость всех процессов в природе одинакова. Значит, законы приро-

ды со временем не меняются, т.е. симметричны по отношению

к переносу (сдвигу) во времени. Если бы этой симметрии не было,

то одна и та же причина в разное время приводила бы к разным

следствиям. Эта симметрия отражает однородность времени, т.е.

все моменты времени физически равноправны, равнозначны и лю-

бой из них может быть выбран в качестве начала отсчета. Отсюда

следует, что течение времени само по себе не может вызывать

изменение физических состояний системы. Показано, что закон

сохранения энергии есть следствие однородности времени.

Таким образом, однородность пространства и времени и изо-

тропность пространства выражают фундаментальные свойства

природы и связаны с важнейшими законами физики – закона-

ми сохранения. Законы сохранения, выведенные из принципов

симметрии, имеют большую область применимости тех или иных

законов движения. Поэтому данные законы сохранения считают

универсальными и всеобщими. Заметим, что без симметрии по

отношению к переносам в пространстве и времени нельзя было

бы говорить о существовании каких-либо законов природы.

Изотропно ли время? Изотропия времени, в силу его одномер-

ности, означала бы равноправие двух взаимно противоположных

направлений на оси времени. Это один из важнейших вопросов,

который постоянно находится в поле зрения физики. На сегодня

полной ясности здесь нет. В обычной жизни мы привыкли, что вре-

мя течет в одну сторону – от прошлого к будущему, а обратное

направление невозможно, т.е. два противоположных направления

на оси времени вроде бы неравноправны. Это называют стрелой

времени. Но при переходе на более глубинный уровень исследо-

вания, в микромир, дело обстоит несколько сложнее. На уровне

микромира прямое и обратное направления течения времени

равноправны в том смысле, что все фундаментальные законы об-

ладают свойством временной инвариантности, а именно – обра-

щение времени (изменение знака времени на противоположный),

не изменяет вида уравнений движения. Это означает, что для лю-

бого возможного движения системы может осуществляться об-

ращенное во времени движение, когда система последовательно

проходит в обратном порядке состояния, проходимые в”прямом”

движении. В классической механике уравнения движения также

не меняют свой вид при замене знака времени на обратный.

195

В фундаментальных законах, от классической физики до тео-

рии относительности и квантовой физики, время не содержит раз-

личия между прошлым и будущим, т.е. фундаментальные физи-

ческие законы симметричны по времени. Это позволяет многим

утверждать, что время обратимо и, если посмотреть назад по вре-

мени, мы увидим то же, что и впереди (но в обратном порядке).

Однако хорошо известно, что в обычной жизни есть неизбеж-

ный процесс старения и не существует процесса омоложения, т.е.

в макромире время течет в одну сторону в том смысле, что все

процессы идут только в одном направлении – от прошлого к

будущему. Поэтому во всех явлениях, с которыми нам приходится

иметь дело, будь то явления из области макроскопической физики,

химии, биологии, геологии или истории, будущее и прошлое игра-

ют разные роли. Статистическая физика объясняет этот парадокс

тем, что все процессы текут в одном направлении – от неравно-

весного состояния к равновесному. Однонаправленность времени

имеет не абсолютный, а статистический характер, т.е. возмож-

ны случайные отклонения от нее. В связи с этим говорят, что

существует стрела времени. Это один из трех основных парадок-

сов современной физики и естествознания – парадокс времени.

В настоящее время на этот вопрос нет однозначного ответа, и

для многих физиков ныне это вопрос веры. В последние десяти-

летия появились новые подходы к решению указанной проблемы,

которые свидетельствуют о существовании стрелы времени, но

окончательного однозначного ответа еще нет.

Принцип относительности есть симметрия по отношению

к переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Эта симметрия составляет сущность специальной теории относи-

тельности, установившей физическую равнозначность, равноправ-

ность всех инерциальных систем отсчета. Доказано, что преоб-

разования Лоренца можно рассматривать как поворот в четырех-

мерном пространственно-временном континууме. Эта симметрия

представляет обобщение симметрии по отношению к поворотам в

обычном пространстве.

Подчеркнем, что полная однородность свойственна лишь аб-

страктному евклидову пространству и является идеализаци-

ей. Реальное пространство материальных систем неоднородно, оно

искривлено в зависимости от распределения тяготеющих масс. С

увеличением скорости движения тел и в мощных гравитационных

196

полях происходит замедление всех процессов в телах, их собствен-

ное время как бы сокращается по отношению ко времени внешних

систем, поэтому, строго говоря, во Вселенной отсутствует единое

время, как и единое пространство, т.е. в мире существуют области

с локальным ходом времени, который отличается от мирового.

Принципиально новый подход к таким фундаментальным по-

нятиям, как пространство и время, масса и энергия, гравитация,

не означает, что теория относительности перечеркивает классиче-

скую физику и разрушает стройное здание евклидовой геометрии.

В явлениях, с которыми мы встречаемся ежедневно, релятивист-

ские эффекты практически не проявляются, а законы классиче-

ской физики действуют безупречно. Даже в области простран-

ства, занимаемого всей Солнечной системой, теория гравитации

Эйнштейна дает очень малые отклонения от законов Ньютона. Но

когда речь идет о масштабах мегамира, охватывающего большие

звездные системы или объекты огромных масс, сосредоточенных в

малом объеме, учет релятивистских эффектов становится просто

необходимым.

Основные понятия и термины, которые необходимо знать:

близкодействие, взаимодействие, волна, дальнодействие, дви-

жение, дифракция, интерференция, континуум, материя, поле, си-

стема, частица, черная дыра, физический вакуум, элементарная

частица.

Контрольные вопросы

1. Какие виды материи различают в современной физике?

2. Правильно ли высказывание, что тела состоят из материи?

3. Какие представления о веществе и поле были выработаны в

рамках классической физики?

4. В чем сущность идеи атомизма?

5. В чем сущность полевой концепции?

6. Опишите образы и свойства частицы и волны.

7. Назовите свойства пространства и времени в классической фи-

зике.

8. Сформулируйте принципы, положенные в основу специальной

теории относительности, и основные следствия.

9. Что такое одновременность и как синхронизируют часы в спе-

циальной теории относительности?

10. Что означает выражение: время и длина относительны?

11. В чем состоит парадокс близнецов? Является ли он парадоксом?

197

12. Что понимают под стрелой времени и существует ли она?

13. Что означает однородность пространства и времени?

14. Сформулируйте свойства симметрии пространства.

15. Сформулируйте свойства пространства и времени в специаль-

ной теории относительности.

16. Как ”работает” гравитация в классической физике?

17. В чем сущность принципа эквивалентности.

18. В чем состоит сущность связи геометрии и гравитации?

19. Опишите свойства пространства-времени в общей теории от-

носительности.

20. Каковы следствия общей теории относительности?

21. Что такое черные дыры и как их можно наблюдать?

Литература: [21, 22, 24, 32, 34, 36, 39, 41, 42, 63].

Дополнительная литература: [1, 3, 4, 5, 7, 8, 16, 19, 62].

7. КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Что изучает квантовая физика. Основные идеи и принципы квантовой механи-

ки: дискретность (квантование), корпускулярно-волновой дуализм, соотноше-

ние неопределенности и принцип дополнительности, волновая функция. Кван-

товая лестница. Элементарные частицы как глубинный уровень организации

материи: элементарны ли элементарные частицы; типы фундаментальных вза-

имодействий и квантовые поля – поля и частицы; кварковая природа материи

и единство сил природы.

Величайшим достижением чело-

веческого гения является то,

что человек может понять ве-

щи, которые он уже не может

вообразить.

Л. Ландау

В определенном смысле вся современная физика есть кванто-

вая физика! Она, по сути дела, является итогом ”новейшей рево-

люции в естествознании”. Именно здесь произошло объединение

диалектики и естествознания и родилась новая методология. Кван-

товая физика произвела переоценку роли динамических и стати-

стических закономерностей в пользу статистических, изменила ха-

рактер физических моделей, переосмыслила роль исследователя в

изучаемом им мире, привела к отказу от многих привычных поня-

тий и представлений, внесла радикальные изменения в стиль науч-

ного мышления, по крайней мере, в отношении познания природы.

198

В. Вайскопф писал, что квантовая теория представляет такой плод

человеческой мысли, который более всякого другого научного до-

стижения углубил и расширил наше понимание мира.

7.1. Что изучает квантовая физика?

Прежде всего, квантовая физика – это теория, описываю-

щая свойства материи на уровне микроявлений. Она исследует

законы движения квантовых объектов, которые также называют

микрообъектами.

Понятие микрообъекта является одним из основных в кванто-

вой физике. К ним относятся молекулы, атомы, атомные ядра,

элементарные частицы. Их характерная особенность – очень ма-

ленькие размеры – 10

−8

см и меньше. К наиболее важным характе-

ристикам микрообъектов относят массу покоя и электрический

заряд. Масса электрона m

= 9, 1 · 10

−28

г, протон имеет массу

1836m

, нейтрон – 1839m

, мюон – 207m

. Фотон и нейтрино не

имеют массы покоя – она равна нулю. Величина электрического

заряда любого микрообъекта кратна величине заряда электрона,

равного 1, 6 · 10

−19

Кл. Наряду с заряженными существуют ней-

тральные микрообъекты, заряд которых равен нулю. Электриче-

ский заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме

зарядов составляющих его частиц. Одной из важнейших специ-

фических характеристик микрообъектов считается спин (от ан-

глийского слова “вращаться”). Хотя спин интерпретируется как

момент импульса микрообъекта, не связанный с его движением

как целого, неуничтожаемый и не зависящий от внешних усло-

вий, но нельзя представлять его как вращающийся волчок. Он

имеет чисто квантовую природу – аналогов в классической физи-

ке ему нет. Наличие спина вносит существенные особенности в

поведение объектов микромира.

Большинство микрообъектов являются нестабильными – они

самопроизвольно, без каких-либо воздействий со стороны распа-

даются, превращаясь в другие, в том числе и элементарные, ча-

стицы. Нестабильность – это специфическое, но не обязательное

свойство микрообъектов. Наряду с нестабильными, существуют и

стабильные микрообъекты: фотон, электрон, протон, нейтри-

но, стабильные атомные ядра, атомы и молекулы в основном

состоянии.

199

Квантовая физика – это еще теоретическая основа современ-

ного учения о структуре и свойствах вещества и поля. По

сравнению с классической физикой она рассматривает материю на

более глубоком и фундаментальном уровне. Она позволяет объ-

яснить многие ”почему”, которые в классической физике принци-

пиально невозможно понять. Например, почему атомы являются

устойчивыми структурами и достаточно механически прочными;

почему атомы одинакового сорта невозможно различить и т.д.

Квантовая теория дает возможность рассчитать физические ха-

рактеристики вещества. Известный физик У. Лэмб называл

квантовую физику наукой, которая обеспечивает нас удивитель-

ным набором правил расчета определенных физических свойств

вещества. По сути дела, квантовая теория образует язык, с

помощью которого мы описываем наши опыты и результаты при

изучении микромира, более общий, чем классическая теория. При

этом важно понимать, что квантовая физика не отменяет класси-

ческую, а содержит ее как свой предельный случай. При перехо-

де от микрообъектов к обычным макроскопическим объектам ее

законы становятся классическими, и, таким образом, квантовая

физика установила пределы применимости классической физики.

Переход от классической физики к квантовой есть переход к более

глубокому уровню рассмотрения материи.

Процессы, происходящие в микромире, относятся к явлениям,

почти полностью лежащими за пределами чувственных воспри-

ятий. Поэтому понятия, которыми оперирует квантовая теория, и

явления, которые она рассматривает, лишены наглядности, при-

сущей классической физике. При становлении квантовой теории

были пересмотрены такие, казалось бы, очевидные и привычные

представления о частицах и волнах, о дискретном и непрерыв-

ном, о статистическом (вероятностном) и динамическом описании.

Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении совре-

менной физической картины мира. Она позволила предсказать и

объяснить огромное число различных явлений – от процессов,

протекающих в атомах и атомных ядрах, до макроскопических

эффектов в твердых телах; без нее невозможно, как представляет-

ся теперь, понять происхождение Вселенной. Диапазон квантовой

физики широк – от элементарных частиц до космических объек-

тов. Без квантовой физики немыслимо не только естествознание,

но и современная техника.

200