Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 7

Принципы

современной физики

Наряду с фундаментальными физическими теориями, описы-

вающими определенные явления нашего мира (механическое

илйГ

тепловое движение, электромагнитные процессы, физические

прсн

цессы

микромира и т.д.), существуют еще более общие законы,)

влияние которых распространяется на все физические процессы,

все формы движения материи. Эти законы ученые назвали

принци-Л

пами

современной физики. Они являются важной составной частью]

современной физической картины мира. Помимо уже

рассмотрен-1

ных нами принципов (например, классический принцип

относи-1

тельности Галилея),

важнейшими

принципами являются: принцип

симметрии, принцип соответствия,

принцип

дополнительности и

сов

отношения неопределенности, принцип суперпозиции.

7.1. Принцип симметрии

Понятие

той или иной

степени

представление о

симметрии симметрии есть у всех людей, так как

этим!

в современной свойством обладают самые разные

предме-1

науке ты, играющие важную роль в повседневной

]

жизни.

Обычно под симметрией (от греч.

зуттеШа

—

соразмер-

ность) понимают однородность, пропорциональность, гармонию

каких-либо материальных объектов.

Предметы, обладающие вышеперечисленными признаками,

обычно считаются красивыми. Поэтому понятие красоты тесно

связано с понятием симметрии. Многим творениям человеческих

рук в силу самых разных причин придается симметричная форма.

Симметричны мячи, многие здания и сооружения, произведения

искусства. Симметрию можно обнаружить в живописи, музыке,

поэзии, танце. В изобилии симметрии встречаются в природе —

снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т.д.

Долгое время изучением симметрии занимались лишь ху-

дожники, для которых были важны законы перспективы и про-

166

порций. Ученые начали серьезно изучать вопросы симметрии

лишь с

XIX

века, когда появилась новая наука — кристаллогра-

фия, изучающая, пожалуй, самые симметричные объекты в мире —

кристаллы.

Часто в науке используется понятие асимметрии — состоя-

ние отсутствия симметрии. Как симметрия связана с гармонией

и равновесием, так асимметрия связана с нарушением равнове-

сия, с движением и развитием. Поэтому симметрия и асиммет-

рия являются двумя противоположными тенденциями, постоян-

но борющимися между собой. Любой объект окружающего нас

мира содержит элементы симметрии и асимметрии. В чистом

виде они не существуют. Так, даже в самых совершенных кри-

сталлах есть отступления от идеальной симметрии. С другой

стороны, любые асимметричные объекты все же можно разде-

лить на части, а значит, в них есть элементы симметрии. Пол-

ная асимметрия была бы связана с невозможностью разделения

предмета, он был бы неделимым, что нереально.

Довольно часто человек сталкивается не с полным, а с час-

тичным отсутствием симметрии. Так, довольно часто у объектов

может не быть зеркальной симметрии, т.е. они не совмещаются

со своим зеркальным отражением простым наложением.

Отсутствие некоторых элементов симметрии у тех или иных

| объектов называется

дисимметрией.

Например, обычно реки имеют разную высоту левого и пра-

вого берегов.

Симметрия противоположностей, связанная с изменением зна-

| ка, называется

антисимметрией

Это переходы: черное — белое, частица — античастица и т.д.

т .

г......

,. Наглядных, классических

симметрии

извест-

илы

симметрии

но довольно много. Очень часто в природе

наблюдается зеркальная симметрия. Ей обладает любое тело, ко-

торое можно разделить на две зеркально равные половинки —

отражение в зеркале воспроизводит тот же объект, но порядок

расположения его частей является обращенным (правое стано-

вится левым и т.д.). Так, человеческое тело приближенно обла-

дает зеркальной симметрией относительно вертикальной оси. То

же относится ко многим архитектурным

сооружениям.

Существует поворотная

симметрия,

связанная с поворотом те-

ла на некоторый угол вокруг оси. Так, многие танцы основаны на

вращательных движениях. Разновидностью поворотной симмет-

рии является радиальная симметрия. При этой симметрии

объ-

167

ект,

поворачиваясь вокруг оси, переходит в себя. Такой симмет-

рией обладают многие цветы.

Симметричен параллельный перенос фигуры на

какое-лиИ

расстояние. Такой вид симметрии называется трансляцией. Прям

мерами трансляции являются узоры на обоях, паркетные пол™

В музыке часто используется повторение одной и той же

мело!

дии с некоторыми вариациями — канон. Трансляция в

сочетай

нии с поворотом порождает винтовую симметрию, связанную

движением по спирали. Листья на стеблях растений

часто

раем

положены именно так. Среди созданных человеком вещей

при«

мером

такой симметрии является винтовая лестница.

Еще один тип симметрии — симметрия подобия, связанная

одновременным увеличением или уменьшением подобных

час-|

тей фигуры и расстояний между ними. Примером такого родя

симметрии служит матрешка. Очень широко распространена

та-1

кая симметрия в живой природе. Ее демонстрируют все растущим

организмы.

Все названные нами типы симметрии связаны с

лредставле-1

ниями о структуре предметов, которая не меняется при совер-|

шении некоторых преобразований. Долгое время это были

един-

ственные симметрии, известные в науке. Но

постепенно

было

осознано, что симметрии могут быть не только наглядными, свя-

занными с геометрическими операциями. Есть целый ряд сим-

метрии,

связанных с описанием каких-либо изменений сложных

естественных процессов.

Например, одна из

симметрии

связана с работой, совершаемой

при подъеме

тела.

Затрачиваемая при этом энергия зависит от раз-

ности высот, которую требуется преодолеть при подъеме, но не

зависит от абсолютной высоты. Не важно, измеряется ли высота

от уровня моря или от уровня суши, важна лишь разность вы-

сот. Следовательно, существует симметрия относительно выбора

начала отсчета высот. Этот пример — иллюстрация того, что

физики называют калибровочными

симметриями,

связанными с

изменениями масштаба. Все симметрии, которые связаны с за-

конами микромира, являются калибровочными.

Калибровочные симметрии не фиксируются в наблюдениях,

они становятся заметны лишь в уравнениях, описывающих при-

родные процессы. Поэтому физики, исследуя математическое

описание той или иной физической системы, время от времени

открывают новые, часто неожиданные симметрии. Эти симмет-

рии достаточно тонко

«запрятаны»

в математическом аппарате и

совсем не видны тому, кто наблюдает саму физическую систему. \

168

Классическим примером такого рода является открытие за-

конов электромагнитного поля. В 50-х годах

XIX

в. Максвелл раз-

работал теорию, связывающую электрическое и магнитное поля

единой системой уравнений. Но сначала он обнаружил, что эти

>равнения не сбалансированы, так как члены уравнений, относя-

щиеся как к электрическому, так и к магнитному полям, входят

них не вполне симметрично.

Чтобы пояснить этот момент, необходимо сделать небольшое

отступление и поговорить о роли красоты в физике и математике.

Что такое красота уравнений физики? Сегодня считается, что

в науке красота тесно связана с симметрией. Симметрия физиче-

ских законов, точнее их математических описаний, проявляется,

если при каких-то операциях вид уравнений остается неизмен-

ным. В таком случае говорят, что уравнения симметричны по

отношению к данным операциям.

Часто физики вначале создают красивую теорию, которая

лишь спустя некоторое время получает экспериментальное под-

тверждение. Поэтому умение находить с помощью математиче-

ского анализа скрытые соотношения и симметрии характеризует

профессиональное мастерство физиков.

Именно с целью гармонизации уравнений, придания им бо-

лее красивого и симметричного вида Максвелл ввел в них до-

полнительный член, на тот момент не вытекавший из экспери-

ментов. Его можно было интерпретировать как не замеченный

ранее эффект — порождение магнетизма переменным электри-

ческим полем. И оказалось, что такой эффект действительно

существует! Природа подтвердила эстетический вкус Максвелла.

Благодаря стремлению ученого к красоте электричество и маг-

нетизм были осознаны как проявление единой силы природы —

хтектромагнетизма.

Также была создана классическая электро-

динамика, одна из фундаментальных физических теорий.

Сегодня математическое исследование, основанное на анализе

симметрии, также может стать источником выдающихся откры-

тий в физике. Даже если заложенные в математическом описании

симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно,

они могут указать

путь

к выявлению новых фундаментальных

принципов природы. Поиск

новых

симметрии

стал главным сред-

ством, помогающим физику в наши дни продвигаться к более

глубокому пониманию мира. Так, создание современных теорий

физического взаимодействия, таких, как слабое и сильное взаи-

модействие, а также теорий Великого объединения, связано с от-

крытием новых видов

симметрии.

169

-ч

„,.,,„

точки зрения физики, симметричным

яв-

иИММсТрИИ

—•

„

в физике ляется объект, который в результате

опреде-

и законы ленных преобразований остается неизмен-

сохранения

ьш,

инвариантным.

Инвариантность — это неизменность какой-либо величины

;

при изменении физических

условий,

способность не изменяться '

при определенных преобразованиях.

Симметрия в физике

—

это свойство физических

величин^

детально описывающих поведение системы, оставаться

неизмен^

ными

(инвариантными) при их определенных преобразованиях.

Симметрии в физике тесно связаны с законами сохранения

физических величин

—

утверждениями, согласно которым чис-.

ленные значения некоторых физических величин не изменяются

со временем в любых процессах или в определенных классах

процессов.

В классической физике Ньютона и Максвелла эта связь но-

сила второстепенный характер и использовалась для проверки

правильности полученных решений уравнений движения.

Более

общий характер принципов симметрии и законов сохранения по

сравнению

с законами движения был осознан при формулиро- |

вании законов термодинамики и особенно квантовой механики.

Но лишь после появления теории относительности Эйнштейна

и осознания того, что она представляет один из аспектов теории

симметрии, ученые обратили внимание на эту связь.

Фактиче-

ски законы сохранения просто вытекают из принципов симмет-

рии. Это было обнаружено в 1918 г. немецким математиком

Э.

Нётер

и доказано в теореме, названной ее именем.

Симметрии и связанные с ними законы сохранения делятся

на пространственно-временные, или внешние геометрические,

симметрии и внутренние симметрии, описывающие свойства эле-

ментарных частиц.

1. Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсче-

кпоишш.ш

гии

та

времени, не меняет физических

законов,

метрии

и законы

Это

озн

ачает,

что все моменты времени

объ-

сохранения

ективно

равноправны и можно взять любой

за начало отсчета времени. Время однородно.

Из этой симметрии вытекает закон сохранения энергии. Так,

если бы сила притяжения тел к Земле изменялась со временем,

т.е. не все моменты времени были бы равноценны, то энергия

не сохранялась бы. Мы могли бы поднимать тела вверх в мо-

менты времени, когда сила притяжения минимальна, и опускать

их вниз в моменты увеличения этой силы. Выигрыш в работе

был бы налицо, и можно было бы создать вечный двигатель.

170

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не ме-

няет физических законов. Это означает, что все точки простран-

ства равноправны и пространство однородно. Перенос или сдвиг

в пространстве какой-либо физической системы никак не

влия-

ет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон

сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат ос-

тавляет физические законы неизменными. Это говорит об изо-

тропности пространства — одинаковости его свойств по всем на-

правлениям. Из этой симметрии вытекает закон сохранения мо-

мента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных систе-

мах отсчета. В этом состоит классический принцип относительно-

сти Галилея. В соответствии с данным принципом, нет разницы

между покоем и равномерным прямолинейным движением. Эта

симметрия говорит, что можно перейти из одной инерциальной

системы в другую, если уравнять их скорости движения (напри-

мер, уравняв скорости, можно спокойно шагнуть из машины в

вагон поезда). Из принципа относительности вытекает закон со-

хранения скорости движения центра масс изолированной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изменяются при

обращении знака времени, т.е. при замене в уравнениях теории

{

на -1. Это означает, что все соответствующие процессы в при-

роде обратимы во времени. Эта симметрия действует только в

макромире. На уровне микромира наблюдается

необратимость

процессов, имеющая статистическое происхождение и связанная

с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Существует зеркальная симметрия природы. Отражение про-

странства в зеркале не меняет физических законов. В квантовой

механике этой симметрии соответствует закон сохранения четно-

сти — особого квантового числа, присущего каждой частице.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового

сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Если с симметриями 1—4 дело обстоит достаточно очевидно,

то зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются

только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При

слабых взаимодействиях указанные симметрии нарушаются. То

же относится и к симметрии относительно знака времени, которая

действует лишь в макромире.

Таким образом, в современной физике обнаруживается оп-

ределенная иерархия

симметрии.

Одни из'них выполняются при

любых взаимодействиях и в

любых

условиях, другие же — толь-

ко при определенных условиях. Эта иерархия еще отчетливее про-

является во внутренних симметриях.

171

о-

„и

«..

Внутренние

симметрии действуют в

тпсроми-?

ВНуТрСННИб

СИМ"

метрии

и законы

опи

сывают

разные аспекты взаимопре-

сохранения вращений элементарных частил друг в друга.

1, При всех превращениях элементарных

частиц сумма электрических зарядов

частиц

остается неизмен-

ной. В этом состоит закон сохранения электрического заряда. Он

органически входит в структуру современных физических тео-

рий, но глубинные причины выполнения закона сохранения

электрического заряда остаются неизвестными.

2. На основе экспериментальных наблюдений выведен закон

сохранения барионного заряда. В соответствии с ним разность ме-

жду числом барионов и антибарионов, участвующих в сильном

взаимодействии, не изменяется при любых процессах. Следствием

этого закона является требование стабильности протона (самая

легкая

частица-барион),

который не распадается на другие эле-

ментарные частицы. Тем не менее, современные теории слабого

и сильного взаимодействий требуют признания возможности

распада протона, так как без этого невозможно объяснить, по-

чему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Правда,

пока распад протона не обнаружен.

3. Аналогично обстоит дело и с легкими элементарными час-

тицами — лептонами. Разность числа лептонов и

антилептонов

не изменяется при превращениях элементарных частиц. В этом

состоит закон сохранения лептонного заряда.

Подобно закону сохранения барионного заряда, закон сохра-

нения лептонного заряда вьгееден экспериментально и носит опи-

сательный характер. Глубинные причины проявления закономер-

ностей такого рода науке пока неизвестны. И хотя случаев на-

рушения этих двух законов пока не зафиксировано, некоторые

современные теории физического взаимодействия говорят о та-

кой

возможности.

4. Уже давно известна внутренняя симметрия, названная изо-

топической инвариантностью. Хорошо известны такие элемен-

тарные частицы, как протоны и нейтроны, составляющие атом-

ные ядра. Они очень похожи друг на друга. Их массы отличают-

ся всего лишь на 0,1%, у них одинаковые значения спина

(1/2)

и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственное, чем

они отличаются, это наличие у протона электрического заряда и

отсутствие такового у нейтрона. Но этот заряд имеет значение

лишь в случае электромагнитного взаимодействия. Если же мы

рассматриваем сильное ядерное взаимодействие, связывающее

протоны и нейтроны в атомном ядре, электрический заряд не

играет никакой роли. Поэтому в сильном взаимодействии про-

тон и нейтрон ведут себя одинаково, как если бы это была одна

172

и та же частица. В сильном взаимодействии протон вполне мо-

жет заменить нейтрон, и наоборот. Поэтому Гейзенберг

предло-

жил рассматривать протоны и нейтроны как два различных со-

стояния одной частицы

—

нуклона. В этом и заключается про-

явление симметрии.

Для описания данной ситуации была введена особая величи-

на — изотопический спин. Слово «изотопический» здесь связано

с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, назы-

ваются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь,

аналогичны свойствам собственного спина.

Таким образом, был сформулирован закон сохранения изото-

пического спина, который выполняется только при сильных взаи-

модействиях, но нарушается при слабых и электромагнитных

взаимодействиях.

5. Последняя известная сегодня внутренняя симметрия позво-

лила сформулировать закон сохранения странности. Странность —

это квантовое число, характеристика адронов, частиц, участвую-

щих в сильных взаимодействиях. В сильных взаимодействиях сум-

ма странностей частиц, участвующих в них, остается неизменной.

При слабых взаимодействиях значение странности меняется.

7.2. Принципы дополнительности

и соотношения неопределенностей

Принцип

дополнительности

Принцип дополнительности

возник

из

по-

пыток осознать причину появления проти-

воречивых наглядных образов, которые при-

ходится связывать с объектами микромира. Он является осново-

полагающим в современной физике.

В ряде экспериментов электрон и другие элементарные час-

тицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства

частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов

всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень

малой области пространства.

С другой стороны, при движении все микрочастицы обнару-

живают типичные волновые свойства. Наблюдается интерферен-

ция и дифракция частиц на кристаллических решетках или искус-

ственно созданных препятствиях. Электроны и другие частицы

ведут себя подобно волнам, огибающим препятствия, и одновре-

менно проходят через несколько щелей дифракционной решетки.

Таким образом, всем микрообъектам

лрисуш

корпускуляр-

но-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким об-

разом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объ-

екта, был дан Н. Бором в 1927 г.

173

Прежде всего Бор обратил внимание на то, что все

предмет!

и явления, которые мы видим вокруг себя и, конечно, измери.

тельные приборы для регистрации элементарных частиц состоят

из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они

яв-

ляются макроскопическими системами, ничем иным они быть

не могут. Сам человек — существо макроскопическое. Поэтому

наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия,

которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений

окружающего мира, это макроскопические понятия. С их помо-

щью можно легко описать любые физические процессы, прохо-

дящие в макромире. Но применить эти понятия для описания

микрообъектов полностью нельзя, так как они не адекватны про-

цессам микромира.

Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы

компенсировать неадекватность нашего восприятия и представ-

ления об объектах микромира, нам приходится применять два до-

полняющих друг друга набора понятий. Эти понятия — частицы

и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую ин-

формацию о квантовых явлениях.

Принцип дополнительности рассматривался Н. Бором не толь-

ко в узком физическом смысле, но и с общефилософской точки

зрения. Понятия, выработанные в науке, отражают лишь отдель-

ные стороны реальных предметов, явлений и процессов. Таким

образом, одно понятие способно отразить только часть истины.

Но, собрав эти на первый взгляд противоречащие друг другу по-

нятия, можно получить достаточно полную картину объекта.

П п Принцип неопределенности является част-

неопределенности

ньш

выражением

принципа дополнительно-

В.

Гейзенберга

сти

Эт

от

принцип наглядно иллюстрирует

отличие квантовой теории от классической

механики.

Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества,

находящийся в данный момент в определенном месте, обладаю-

щий определенной энергией и движущийся со строго определен-

ной скоростью. При этом мы допускаем, что можно абсолютно

точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой

момент времени.

Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу

неограниченной синусоиды, простирающейся во всем простран-

стве. И понятия «длина волны в данной точке», «импульс в дан-

ной

точке»,

«энергия в данный момент

времени»

просто не име-

ют смысла. Утверждение, что электрон лишь приближенно может

рассматриваться как материальная точка, означает, что его коор-

динаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизи-

174

тельно. Количественно это выражается соотношением неопределен-

ностей Гейзенберга.

Согласно этому принципу, чем точнее фиксирован импульс,

тем большая неопределенность будет в значении координаты, и

наоборот. Так же соотносятся энергия и время. Точность

изме-

рения энергии обратно пропорциональна длительности процесса

измерения. Причина этого кроется во взаимодействии прибора с

объектом измерения.

Принцип неопределенности показывает, почему невозможно

падение электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень ма-

лые размеры, и при падении электрона его местоположение

оказалось бы известно достаточно точно. Следовательно, резко

увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс

в значении скоростей стал бы очень большим. Эта «вилка» ско-

ростей должна была бы включать столь большие скорости, что

электрон скорее покинул бы атом, чем упал на ядро.

7.3. Принцип суперпозиции

Этот принцип также имеет большое значение в физике и осо-

бенно в квантовой механике.

Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, со-

гласно которому результирующий эффект представляет собой

сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлени-

ем в отдельности.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является

правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются

две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется

при условии, когда воздействующие явления не влияют друг на

друга. Встречный ветер тормозит движение автомобиля по закону

параллелограмма — здесь принцип суперпозиции выполняется

полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу дви-

гателя, то в данном случае принцип суперпозиции выполняться не

будет. Вообще в ньютоновской физике этот принцип не универса-

лен и во многих случаях справедлив лишь приближенно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундамен-

тальный принцип, который наряду с принципом неопределенно-

сти составляет основу математического аппарата квантовой меха-

ники. Но, к сожалению, в квантовой теории этот принцип лишен

той наглядности, которая характерна для механики Ньютона.

Принцип суперпозиции утверждает: если система может на-

ходиться в одном из квантовых состояний, то она может нахо-

диться и в состоянии, являющемся линейной комбинацией этих

состояний.

175

Подобное утверждение интерпретируется следующим обра-

зом: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать,

каком состоянии находится физическая система. Иными слова-

ми, до измерения система находится в суперпозиции двух

воз

можных состояний, то есть ее состояние неопределенно. Акт

из!

мерения

-переводит

физическую систему скачком в одно из эти!

состояний. Таким образом, в квантовой механике в суперпозиция

складываются альтернативные, взаимоисключающие

друг

друга

с классической точки зрения, состояния.

7.4. Принцип соответствия

Все фундаментальные физические теории и частные законы

не являются абсолютно точным отображением действительно-

сти. Они в большей или меньшей степени (в зависимости от вве-

денных гносеологических предпосылок) соответствуют объек-

тивным закономерностям. По мере развития науки, углубления

наших знаний менее точные теории сменяются более точными,

описывающими те же самые формы движения материи, что

прежние теории, но охватывающие более широкий круг процес-

сов. Именно так происходит, когда динамические теории сме-

няются статистическими.

Каждая фундаментальная теория имеет определенные грани-

цы применимости (гносеологические предпосылки). И эти гра-

ницы устанавливаются весьма строго и точно, особенно если

открыта более глубокая теория, описывающая те же самые про-

цессы. Например, классическая механика Ньютона правильно

описывает движение тел только в тех случаях, когда скорость их

движения много меньше скорости света. Но это ограничение

выявилось лишь после создания специальной теории относитель-

ности и релятивистской механики, справедливой для описания

движения тел с любыми скоростями.

Но появление новой теории, например релятивистской ме-

ханики, совсем не означает, что старая классическая механика

утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел со

скоростями, много меньшими скорости света, всегда будет опи-

сываться механикой Ньютона, потому что в этой области скоро-

стей релятивистская механика дает ничтожные поправки, учет

которых не имеет смысла.

Так мы подходим к принципу соответствия, утверждающему

преемственность физических теорий. Идея Бора состояла в том

что поскольку законы классической механики подтверждаются с

большой точностью в широкой области явлений, то следует счи-

тать, что и новая, более точная теория в применении к этим яв-

176

лениям должна давать те же результаты, что и механика Ньюто-

на. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она

не содержит в качестве предельного случая старую теорию, отно-

сящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправ-

дала себя в своей области.

В общей форме этот принцип формулируется так: теории,

справедливость которых была экспериментально установлена

для определенной группы явлений, с построением новой теории

не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней об-

ласти явлений как предельное выражение законов новых теорий.

Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория,

переходят в выводы старых теорий.

Принцип соответствия представляет собой конкретное вы-

ражение в физике диалектики соотношения абсолютной и отно-

сительной истин. Каждая физическая теория — ступень позна-

ния

—

является относительной истиной. Смена физических тео-

рий — это процесс приближения к абсолютной истине, процесс,

который не будет никогда полностью завершен из-за бесконеч-

ной сложности и разнообразия окружающего нас мира.

Кроме того, новые теории не отрицают старых теорий имен-

но потому, что старые теории с определенной степенью при-

ближения отражают объективные закономерности природы. Та-

ким образом, принцип соответствия отражает объективную цен-

ность физических теорий.

|^?

Вопросы для обсуждения

1.Что

называют принципами современной физики? Чем они отличаются

от обычных физических законов?

2. Сравните понятия симметрии, асимметрии,

дисимметрии

и антисим-

метрии.

З.Что такое красота с математической точки зрения? Как она связана с

симметрией?

4. Сравните понятия симметрии и инвариантности. Чем они различаются?

Что объясняет принцип дополнительности?

6. Что следует из соотношения неопределенностей?

7. Каковы отличия принципа суперпозиции в классической и квантовой

механике? Приведите примеры использования данного принципа.

Глава О

Структурные уровни организации

материи. Физика микромира

8.1. Структурность

и системность материи

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и

системность. Они выражают упорядоченность существования ма-

терии и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Системност

Представления о материи в современной

материи науке строятся на системном подходе, о ко-

тором уже говорилось выше. В рамках сис-

темного подхода любой объект материального мира рассматри-

вается как система — внутреннее (или внешнее) упорядоченное

множество взаимосвязанных элементов, определенная целост-

ность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к

другим объектам или. внешним условиям. Весь мир, таким

обра-

зом, предстает как иерархически организованная совокупность

систем, где любой объект одновременно является самостоятель-

ной сложной системой и элементом другой, более сложной сис-

темы. В этом и заключается системность материи.

Совокупность связей между элементами системы образует

структуру системы. Поскольку любая система обязательно со-

стоит из элементов, которые связаны друг с другом разнообраз-

ными связями, можно сделать вывод, что бесструктурных объек-

тов не существует.

Существует два основных типа связи между элементами сис-

тем — горизонтальные и вертикальные связи. Горизонтальные

связи — это связи координации между элементами и системами

одного уровня. Они носят коррелирующий характер. Вертикаль-

ные связи — это связи субординации, иерархии, показывающие

взаимоотношения между уровнями организации системы.

Структурность Системность материи неразрывно связана со

материи структурностью, под которой понимают свя-

зи между огромным множеством систем ок-

ружающего нас мира, находящихся в отношении иерархической

соподчиненности, а также упорядоченность строения каждой

системы.

Поэтому неверно под структурой материи понимать только ее

строение в микромире, существование в виде молекул, атомов,

элементарных частиц и т.д. Если рассматривать материю в целом,

то понятие структуры материи будет охватывать все многообразие

целостных систем, находящихся в конечной области материаль-

ного мира, которая простирается от

Ю'

см до

Э8

см

(около 20

млрд световых лет), а во времени — до

лет. При этом на

каждом структурном уровне материи существуют особые (эмерд-

жентные) свойства, отсутствующие на других уровнях.

В естественных науках выделяются два класса материальных

систем: в живой и неживой природе. Кроме них выделяются со-

циальные системы. Аналогично можно представить и структуру

нашего мира.

В неживой природе структурными уровнями орга-

низации материи являются:

. вакуум (поля с минимальной энергией);

• поля и элементарные частицы;

• атомы;

• молекулы;

• макроскопические тела;

• планеты и планетные системы;

• звезды и звездные системы;

• галактики;

• Метагалактика; .

• Вселенная.

В живой природе выделяют два важнейших струк-

турных уровня — биологический и социальный.

Биологический уровень организации материи включает:

• доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты);

• Клетку как «кирпичик» живого и одноклеточные организмы;

• многоклеточный организм, его органы и ткани;

• популяцию (совокупность особей одного вида, занимаю-

щих определенную территорию, свободно скрещивающих-

ся между собой и частично или полностью изолированных

от других групп особей своего вида);

• биоценоз (совокупность популяций, при которых продукты

жизнедеятельности

одних являются условиями существования

других организмов, населяющих участок суши или воды);

• биосферу — живое вещество планеты (совокупность всех

живых организмов, включая человека).

179

На определенном этапе развития жизни на планете возник ра-

)

зум, благодаря которому появился новый структурный уровень — I

социальный. На этом уровне выделяются: индивид, семья,

коллек-1

тив, социальная группа, класс и нация, государство, цивилизация,

человечество в целом.

Поскольку в природе все взаимосвязано, в ней существуют та-

кие системы, элементами которых являются как живая, так и не- ,

живая природа. Это:

• биогеоценоз

(сложная

природная система, объединяющая

на основе обмена веществ и энергии совокупность живых

организмов с неживыми компонентами — условиями оби-

тания);

. биосфера (область распространения жизни на Земле, пред-

ставляющая собой совокупность живого вещества планеты

и преобразованной им окружающей среды).

8.2. Микро-, макро- и

мегамир

Осознавая структурность и системность материи в качестве

важнейших ее атрибутов, человек, изучая окружающий мир с

точки зрения своих человеческих потребностей, соизмеряет все

эти многочисленные системы в первую очередь с собой. Исходя

из этого в естествознании выделяют три основных уровня строе-

ния материи:

• микромир — мир предельно малых, непосредственно не

наблюдаемых микрообъектов, пространственная размер-

ность которых исчисляется от

10~

до

10~

см, а время

жизни — от бесконечности до

10~

секунды;

• макромир — мир макрообъектов, соизмеримых с человеком

и его опытом. Пространственные величины макрообъектов

выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а

время — в секундах, минутах, часах и годах;

•ш мегамир — мир огромных космических масштабов и ско-

ростей, расстояние в котором измеряется астрономически-

ми единицами, световыми годами и парсеками, а время

существования космических объектов — миллионами и

миллиардами лет.

Дольше всего и подробнее всего наука изучала макромир. Ре-

зультатом явилась классическая наука Нового времени. И хотя

ученые этого и более ранних периодов развития науки говорили о

мельчайших частицах материи, являющихся ее конечным преде-

лом делимости, и находили их сначала в атомах, а на налете этого

180

этапа — в полях, в действительности это были не более чем умо-

зрительные конструкции. Реально же наука занималась изучени-

ем объектов и процессов, которые человек вполне мог наблюдать

невооруженным глазом. Именно так появились на свет механика,

классическая термодинамика, оптика, электродинамика.

Изучение микромира началось с конца XIX века. Толчком по-

служило открытие Дж. Томсоном в 1897 г. первой элементарной

Частицы

— электрона, а также выдвижение М. Планком в 1900 г.

идеи кванта как мельчайшей неделимой порции энергии, в кото-

рой только и может происходить излучение и его поглощение,

Ошеломлявшие ученых свойства элементарных частиц вскоре уда-

лось объяснить в рамках первых квантовых теорий — квантовой

Механики

и квантовой электродинамики. Тем не менее в этой об-

ласти еще существует великое множество загадочных и пока не-

объясненных фахтов. Их изучение было задачей современной

науки

и, очевидно, останется целью постнеклассической науки.

Несколько иначе обстоит дело с исследованием мегамира, на-

чавшимся с появлением астрономии — одной из первых естест-

венных наук. Но большую часть своей истории астрономия не

Выходила

за рамки описательной науки. Лишь изредка в ней по-

являлись очень робкие теоретические предположения о строении

звезд и планет, их появлении и развитии. Концепции и теории в

космологии и космогонии, носящие достаточно обоснованный

характер,

стали появляться только к началу XX века.

Прк

этом

многие из них оказались связанными с исследованиями в области

микромира. Таким образом подтверждалась диалектика природы,

воплощенная в идее всеобщей связи всех структурных уровней

организации материи.

8.3. Понятие о веществе

и его свойствах

В классической физике вещество отделяют от поля. Под веще-

ством понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно

существует для нас в

виде

физических тел, которые обладают не-

которыми общими параметрами — удельной массой, температу-

рой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью,

электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти па-

раметры могут изменяться в широких пределах как от одного ве-

щества к другому, так и для одного и того же вещества

взависи-

мости от внешних условий.

181

Каждое вещество (физическое тело) может находиться в од-']

ном из четырех агрегатных состояний — твердом, жидком,

газо-1

образном и плазменном.

Твердые тела Твердое вещество используется человеком

и их свойства

давних

пор. Это основной материал, из

кото-

рого создаются орудия труда и различные

Приспособивши!,

использующиеся в нашей жизни. На заре чело-

веческой истории человек мог использовать лишь механические

свойства этих тел. В наши дни используются также электриче- ;

ские, магнитные, тепловые и другие свойства твердого вещества.

Благодаря широкому использованию твердых тел человечество

накопило большой эмпирический материал об их свойствах, ко-

торый

лег с основу теории твердого тела, созданной в классиче-

ской науке.

Твердые вещества — это тела, отличающиеся постоянст-

вом формы и объема.

Твердые тела могут существовать в двух состояниях — кри-

сталлическом и аморфном. Кристаллы характеризуются так на-

зываемым дальним порядком расположения атомов, который

выражается в строгой повторяемости во всех направлениях од-

ного и того же структурного элемента на протяжении сотен и

тысяч периодов кристаллической решетки. Кристаллическое со-

стояние является устойчивым состоянием всех твердых тел. Су-

ществуют монокристаллы — тела, имеющие форму правильных

многогранников. Но большинство твердых тел являются поли-

кристаллами, имеющими мелкокристаллическую структуру и со-

стоящими из большого числа сросшихся, мелких, хаотично рас-

положенных кристаллических зерен.

В аморфных телах дальний порядок отсутствует (согласован-

ность расположения частиц соблюдается лишь на малых расстоя-

ниях), поэтому аморфные тела можно рассматривать как жидко-

сти с очень большой вязкостью. В аморфном состоянии могут

находиться обычное стекло, сера, глицерин, а также многие по-

лимеры, состоящие из большого числа повторяющихся групп ато-

мов. Аморфные вещества при определенных условиях переходят

в твердое состояние.

Твердые тела обладают механическими свойствами, которые

проявляются в ответ на внешние механические воздействия —

сжатие, растяжение, изгиб, удар и т.д. В зависимости от внутрен-

него строения, наличия дефектов, специфики обработки твердые

тела могут быть хрупкими или пластичными.

182

С точки зрения электрических свойств все твердые тела де-

лятся на металлы, полупроводники и диэлектрики.

По магнитным свойствам выделяют

диамагнетики

(вода, соль,

золото), парамагнетики (алюминий, литий, калий), ферромагне-

тики (железо) и антиферромагнетики (некоторые редкоземель-

ные элементы).

При повышении температуры твердые тела увеличивают свои

линейные размеры и объем — это так называемое тепловое рас-

ширение твердых тел. Сильное нагревание может привести к пе-

реходу вещества в жидкую (плавление) или газообразную (субли-

мация, возгонка) фазу.

Твердые тела способны деформироваться при изменении тем-

пературы или внешнем силовом воздействии. После прекращения

воздействия деформация может исчезнуть (упругая деформация)

или остаться (остаточная деформация).

Ж Жидкость — это агрегатное состояние веще-

и их свойства

ства,

промежуточное между твердым и газо-

образным

состояниями.

[

Жидкости — это тела, имеющие определенный объем, но не

имеющие упругости формы.

Поэтому у жидкостей есть свойства как твердых тел, так и га-

зов. Так подобно твердому телу жидкость сохраняет свой объем,

имеет свободную поверхность, обладает прочностью на разрыв.

Но, как и газы, жидкость принимает форму сосуда, в котором

находится. Кроме того, жидкость легко переходит в газ. При на-

гревании ее свойства сближаются со свойствами газов, а вблизи

температуры кристаллизации — со свойствами твердых тел.

Жидкости однородны и изотропны при отсутствии внешних

воздействий. Благодаря поверхностному натяжению жидкость на

границе с любой другой средой принимает форму, при которой

ее поверхность минимальна. Поэтому небольшие объемы жидко-

стей имеют форму капли, а в невесомости — форму шара. Если

жидкость соприкасается с твердыми телами или другими несмеши-

вающимися

жидкостями, возникают капиллярные явления.

Однако главное свойство жидкости, обеспечивающее ее спе-

цифичность, это текучесть ~ смещение в направлении действия

силы. В жидкостях наблюдается ближний порядок — упорядочен-

ная взаимная ориентация соседних частиц внутри малых объемов.

С поверхности жидкости при любой температуре происходит

испарение — процесс парообразования. Парообразование идет

вследствие вылета с поверхностного слоя жидкости молекул,

183

обладающих наибольшей скоростью (кинетической энергией), по- |

этому в результате жидкость охлаждается.

Свойства жидкостей изучаются и описываются в различных

разделах механики, физики и физической химии, а также в

гид-ч

родинамике.

Газы

ШИ

Р°

КО

распространены в природе

-Ж

и их свойства

они

образуют атмосферу Земли, содержатся в

твердых породах, растворены в водах Миро-

вого океана. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества так-

же состоят из газов.

Газ — это агрегатное состояние вещества, в котором его час- А

тицы

не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и 1

движутся свободно, занимая весь предоставленный им объем.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние

при определенном давлении и температуре. Таким образом, усло--

вия, в которых могут существовать газы, весьма разнообразны —

от почти полного вакуума до нейтронных звезд. Поэтому свойст-

ва газов (их теплопроводность, вязкость и т.д.) меняются в широ-

ких пределах. Но при одинаковых давлениях и температурах рав-

ные объемы различных газов содержат равное число молекул и

занимают одинаковые объемы.

Представление о четвертом агрегатном со-

стоянии вещества появилось лишь в 1923 г.,

когда американские физики И.

Ленгмюр

Л. Тонкс ввели термин «плазма».

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ,

в котором плотности положительных и отрицательных зарядов

практически одинаковы.

При достаточно сильном нагревании любое вещество испа-

ряется, превращаясь в газ. Если температура будет увеличивать-

ся и дальше, резко усилится процесс термической ионизации,

молекулы газа начнут распадаться на составляющие атомы, а

затем превращаться в ионы — электрически заряженные части-

цы. Причиной ионизации может также стать воздействие элек-

тромагнитного излучения (фотоионизация) или бомбардировка

газа заряженными частицами.

В состоянии плазмы находится большая часть вещества Все-

ленной — звезды, галактические туманности и межзвездная сре-

да. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра,

также она образует радиационные пояса Земли и ионосферу.

Кроме того, плазму получают в лабораторных и промышленных

условиях при дуговом, искровом и тлеющем разрядах.

ни

Плазма

ее свойства

Важнейшей характеристикой плазмы является степень иони-

зации — отношение числа ионизированных атомов к полному их

числу в единице объема плазмы. Поэтому в отличие от нейтраль-

ных газов на плазму сильно действуют электрические и магнит-

ные

поля.

Высокотемпературная плазма из дейтерия и трития использу-

ется в установках управляемого термоядерного синтеза (токама-

ках). Низкотемпературная плазма находит широкое применение в

газоразрядных источниках света, в газовых лазерах, а также в

магнитогидродинамических

генераторах

(МГД-генераторах).

помощью

плазматронов,

создающих струи плотной низкотемпе-

ратурной плазмы, режут и сваривают металлы, наносят покрытия.

В плазмохимии низкотемпературная плазма используется для по-

лучения некоторых соединений, потому что высокие температуры

плазмы ускоряют химические реакции.

8.4. Основы физики микромира.

Строение атома

Новая физика началась с изучения строения атома. Атомизм,

забытый в Средние века, был возрожден в ходе первой глобаль-

ной научной революции Р. Декартом и сохранился практически в

первоначальном виде до конца

XVIII

в. Но реальность сущест-

вования атомов, атомное строение вещества было установлено

лишь в XIX в., после открытия броуновского движения.

Отказ от классического представления об атомах произошел

в 1897 г., когда Дж. Томсоном был открыт электрон — отрица-

тельно заряженная частица, входящая в состав всех атомов. По-

скольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом

электронейтрален, было сделано предположение, что в нем

по-

мимо электрона должна быть положительно заряженная

части-

ца. Опыты Э.

РезерпЬорда,

в которых он бомбардировал альфа-

частицами (дважды ионизированными атомами гелия) листки

металлической фольги, показали, что альфа-частицы отклоня-

ются при ударе на самые разные углы, в том числе и на

180°.

Это означало, что частицы встречают на своем пути массивную,

положительно заряженную преграду очень малых размеров.

Так было открыто атомное ядро — положительно заряжен-

ная микрочастица, которая намного меньше

атома,

но в ней

почти полностью сосредоточена его масса.

Еще один шаг к углублению

-знаний

о строении материи был

сделан при открытии радиоактивности А.

Беккерелем

в 18% г.,

185