Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Планка h определяет минимальное изменение физической

величины, называемое действием, и играет фундаментальную роль в

физике микромира. Масса покоя m

электрона есть характеристика

инерционных свойств легчайшей стабильной заряженной

элементарной частицы.

Константой некоторой теории мы называем значение, которое в

рамках этой теории считается всегда неизменным. Наличие

констант при выражениях многих законов природы отражает

относительную неизменность тех или иных сторон реальной

действительности, проявляющуюся в наличии закономерностей.

Сами фундаментальные постоянные с, h, e, G и др. являются

едиными для всех участков Метагалактики и с течением времени не

меняются, по этой причине их называют мировыми постоянными.

Некоторые комбинации мировых постоянных определяют нечто

важное в структуре объектов природы, а также формируют характер

ряда фундаментальных теорий.

определяет размер пространственной оболочки для атомных

явлений (здесь m

— масса электрона), а

— характерные энергии для этих явлений; квант для

крупномасштабного магнитного потока в сверхпроводниках

задается величиной

предельная масса стационарных астрофизических объектов

определяется комбинацией:

где m

— масса нуклона;

120

весь математический аппарат квантовой электродинамики основан

на факте существования малой безразмерной величины

определяющей интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Анализ размерностей фундаментальных постоянных приводит к

новому пониманию проблемы в целом. Отдельные размерные

фундаментальные постоянные, как уже отмечалось выше, играют

определенную роль в структуре соответствующих физических

теорий. Когда речь идет о выработке единого теоретического

описания всех физических процессов, формирования единой научной

картины мира, размерные физические постоянные уступают место

безразмерным фундаментальным константам таким как

Роль этих

постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной очень

велика. Постоянная тонкой структуры является количественной

характеристикой, одного из четырех видов фундаментальных

взаимодействий, существующих в природе — электромагнитного.

Помимо электромагнитного взаимодействия другими

фундаментальными взаимодействиями являются гравитационное,

сильное и слабое. Существование безразмерной константы

электромагнитного взаимодействия

предполагает, очевидно, наличие

аналогичных безразмерных констант, являющихся характеристиками

остальных трех типов взаимодействий. Эти константы также

характеризуются следующими безразмерными фундаментальными

постоянными — константа сильного взаимодействия

—

константа слабого взаимодействия:

где величина — постоянная Ферми

для слабых взаимодействий;

121

константа гравитационного взаимодействия:

Числовые значения констант

определяют

относительную "силу" этих взаимодействий. Так, электромагнитное

взаимодействие примерно в 137 раз слабее сильного. Самым слабым

является гравитационное взаимодействие, которое в 10

меньше

сильного. Константы взаимодействия определяют также, насколько

быстро идут превращения одних частиц в другие в различных

процессах. Константа электромагнитного взаимодействия описывает

превращения любых заряженных частиц в те же частицы, но с

изменением состояния движения плюс фотон. Константа сильного

взаимодействия является количественной характеристикой

взаимных превращений барионов с участием мезонов. Константа

слабого взаимодействия

определяет интенсивность превращений

элементарных частиц в процессах с участием нейтрино и

антинейтрино.

Необходимо отметить еще одну безразмерную физическую

константу, определяющую размерность физического пространства,

которую обозначим через N. Для нас является привычным то, что

физические события разыгрываются в трехмерном пространстве, т.

е. N = 3, хотя развитие физики неоднократно приводило к

появлению понятий, не укладывающихся в "здравый смысл", но

отображающих реальные процессы, существующие в природе.

Таким образом, "классические" размерные фундаментальные

постоянные играют определяющую роль в структуре

соответствующих физических теорий. Из них формируются

фундаментальные безразмерные постоянные единой теории

взаимодействий —

Эти константы и некоторые другие,

а также размерность пространства N определяют структуру

Вселенной и ее свойства.

122

6.5. Антропный космологический принцип

Религия всегда оказывается права. Она

разрешает все вопросы и,

следовательно, снимает все вопросы в

мире. Религия придает нам

уверенность, незыблемость,

умиротворение и сознание

абсолютности. Она защищает нас от

прогресса, который всех нас приводит

в трепет. Наука поступает совсем

наоборот. Она никогда не решает

вопроса, не поставив при этом десяток

новых.

Б. Шоу

Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в

последнем десятилетии XX века, представляют большой научный

интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения, развития

и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа

состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения

основных физических констант и даже форма физических

закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной

во всех масштабах — от элементарных частиц до сверхскоплений

галактик. С возможностью существования условий, при которых

возникают сложные формы движения материи и в конце концов

жизнь и человек.

Почему из бесконечной области всевозможных значений

фундаментальных мировых постоянных, характеризующих

физические взаимодействия, и бесконечного разнообразия

начальных условий, которые могли существовать в очень ранней

Вселенной, реализуются величины и условия, приводящие к вполне

конкретному набору особенностей, наблюдаемых нами? В

пространстве N измерений точечные источники взаимодействуют с

силой , где r — расстояние между источниками. Можно

показать, что устойчивые движения двух тел, взаимодействующих

по такому закону, отсутствуют при N 3. Еще в 20-е годы XX

столетия П. Эренфест показал, что если бы число пространственных

координат N было равно четырем, то не су-

123

ществовало бы замкнутых орбит планет и, естественно, Солнечной

системы и человека. При N = 4 была бы невозможна также атомная

структура вещества. При N < 2 движение происходит в

ограниченной области. Только при N = 3 возможны как связанные,

так и несвязанные движения, что как раз и реализуется в

наблюдаемой Вселенной.

Исследования показывают, что Вселенная, в которой мы живем,

удачно приспособлена для нашего существования. Основные

свойства Вселенной объясняются значениями нескольких

фундаментальных постоянных (гравитационная постоянная, масса

протона и электрона, заряд электрона, скорость света и др.). В

наблюдаемой Вселенной существует удивительное совпадение,

вернее согласование энергии расширения Вселенной и ее

гравитационной энергии, значения фундаментальных констант

гравитационного, сильного, слабого, электромагнитного

взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивает

возможность возникновения галактик и звезд, в том числе

стабильных, в которых термоядерные реакции протекают в течение

многих миллиардов лет.

Для иллюстрации связи характеристик Вселенной с

физическими константами представьте себе, что произошло бы при

изменении значений фундаментальных мировых постоянных.

Например, если бы масса электрона была в 3-4 раза выше ее

нынешнего значения, то время существования нейтрального атома

водорода исчислялось бы несколькими днями. А это привело бы к

тому, что галактики и звезды состояли бы преимущественно из

нейтронов, и многообразия атомов и молекул в их современном виде

просто не существовало бы.

Современная структура Вселенной очень жестко обусловлена

величиной т. е. разницей в массах нейтрона и

протона. Разность очень мала и составляет всего около 10

-3

от массы

протона. Однако если бы она была в три раза больше, то во

Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы

сложных элементов. Увеличение константы сильного

взаимодействия всего на несколько процентов привело бы к тому,

что уже в первые минуты расширения Вселенной водород

полностью бы выгорел и основным элементом в ней стал бы гелий.

124

Константа электромагнитного взаимодействия тоже не может

существенно отклоняться от своего значения — 1/137. Если бы,

например, она была 1/80, то все частицы, обладающие массой покоя,

аннигилировали бы и Вселенная состояла бы только из безмассовых

частиц.

Достаточно было сравнительно небольшого отличия констант

от существующих в действительности, чтобы либо галактики и

звезды вообще бы не успели возникнуть к нашему времени (если бы

константа гравитационного взаимодействия была на 8-10% меньше),

либо, звезды эволюционировали бы слишком быстро (если бы она

была больше на 8-10%). В соотношении констант обнаружены такие

тонкости, что, например, константа сильного взаимодействия

обеспечивает протекание ядерного синтеза в недрах звезд с

образованием углерода и кислорода, которые поставляются в космос

при взрыве сверхновых звезд, и служат в дальнейшем материалом

для формирования звезд второго поколения типа Солнца и

планетных систем. Ясно, что даже небольшого отклонения от

константы сильного взаимодействия было бы достаточно, чтобы

жизнь на Земле оказалась невозможной. Если бы величины этих

констант несколько отличались от их значений, то свойства

Вселенной были бы совсем другими. Эти самые свойства являются

условиями возникновения той формы жизни, которая существует на

Земле. Сущность антропного принципа в том, что жизнь является

неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее

эволюции. Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная

поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней

существующей формы жизни. Можно сказать, что нам просто

повезло — константы в Метагалактике оказались

благоприятствующими для возникновения жизни и поэтому мы

существуем и познаем Вселенную. Но наряду с такой

Метагалактикой имеются многие другие с иными константами, с

другим распределением материи, геометрией и даже, возможно, с

другими размерностями пространства, совершенно неподходящими

для жизни, с условиями, которые трудно вообразить. Другие

Метагалактики — это "миры иных констант". Некоторые из них

совсем не похожи на нашу

125

Вселенную, но вполне возможно, что в каких-то метагалактиках есть

и разумные существа.

Суть антропного принципа заключается в следующем:

Вселенная такова, какой мы ее видим, поскольку в ней существуем

мы, т. е. наблюдатели, способные задаться вопросом о свойствах

Вселенной; при других параметрах во Вселенной невозможны

сложные структуры и жизнь в известных нам формах. Выше было

отмечено, что даже небольшие изменения фундаментальных

постоянных приводят к качественным изменениям свойств

Вселенной, в частности к невозможности существования сложных

структур, а значит, и самой жизни.

Возможность согласованного и сильного изменения всего

набора физических констант, параметров Вселенной (а в принципе и

физических законов) так, чтобы получить модели других вселенных,

в которых выполнены если не достаточные, то хотя бы необходимые

условия для возникновения сложных структур и жизни,

представляется интересным. Конечно, такая задача в полном объеме

пока не разрешима.

Познание человеком свойств Вселенной — тоже эволюционный

процесс, зависящий от уровня развития человеческого общества и в

первую очередь от уровня развития науки. Образы Вселенной на

каждом историческом этапе были различны. Всех свойств нашей

Вселенной мы еще не знаем, но фантазия теоретиков уже блуждает в

запутанных лабиринтах предположений о свойствах других

возможных Вселенных. Антропный принцип отнюдь не исключает

возможности их существования. Их свойства могут быть таковы, что

возникновение жизни в них будет невозможно и их эволюция будет

проходить "без свидетелей".

6.6. Характер движения структур мира

Не мир запутался, к несчастью,

Мы. сами путаемся в нем.

М. Гамидов

Все структурные объекты материального мира находятся в

состоянии непрерывного движения в многообразных формах и

разновидностях.

126

В вакууме происходит движение виртуальных частиц, в ядрах

протоны и нейтроны вращаются вокруг своих осей; в атомах

электроны обращаются вокруг ядер и вращаются вокруг своих осей;

в кристаллах атомы и молекулы совершают колебания вблизи

положений равновесий; в жидкостях к колебательным движениям

атомов и молекул добавляется и их поступательное движение; в

газах происходит непрерывное, беспорядочное, хаотическое

движение молекул и атомов. Интенсивность движения атомов и

молекул в газах, жидкостях, твердых телах тем больше, чем выше их

температура.

В состоянии непрерывного разнообразного движения

находятся и макроскопические тела. Например, Земля вращается

вокруг своей оси со скоростью 0,5 км/с на экваторе; обращается

вокруг Солнца со скоростью 30 км/с; вместе с Солнечной системой

обращается вокруг ядра нашей Галактики со скоростью 240 км/с;

вместе с нашей Галактикой Земля участвует в движении

расширяющейся Метагалактики с огромной скоростью порядка 1000

км/с.

Все эти движения происходят в инерциальных системах

отсчета. Каждая из этих инерциальных систем имеет свою

определенную скорость движения, которая передается любому

материальному телу данной системы независимо от движения этих

тел относительно нее. Причем эти инерциальные системы

неразрывно связаны, образуя структурную "лестницу". Например,

общая скорость движения Земли складывается из скорости

вращения вокруг оси, обращения вокруг Солнца, движения

Солнечной системы и движения нашей Галактики.

Таким образом, в одной инерциальной системе может

находиться ряд подчиненных инерциальных систем, входящих

последовательно одна в другую. Но она наряду с этим на каждом

уровне может находиться бесконечное множество равноправных

инерциальных систем. Для изучения таких равноправных систем

относительно друг друга необходимо использовать преобразования

Галилея и Лоренца. Реальное движение тел, находящихся на разных

уровнях структур движения, представляется сложным

относительным движением. Причем всякое материальное тело,

127

находящееся на данной структурной лестнице движения, обладает

всеми скоростями предыдущих уровней движения.

Движение представляет собой всеобщую форму существования

материи, ее основной и необходимый способ деятельности.

Движение есть способ существования материи. Материя и движения

едины. Движение означает всякое изменение, превращение и

переход из одного состояния материи в другое. Категория движения

и взаимодействия близки по своему содержанию. Движение, как и

материя, объективно и существует независимо от субъекта;

характеризуется рядом общих следующих свойств:

- движение универсально;

- движение несотворимо и неуничтожимо;

- универсальное движение материи характеризуется чертами

внутренней противоречивости.

Всеобщим свойством всякого движения является

противоречивое единство изменчивости и стабильности, т. е.

движения и покоя. Противоречивость движения выступает в форме

единства присущих движению характеристик абсолютности и

относительности. Абсолютность материального движения состоит в

его несотворимости и неуничтожимости, универсальности, она

является ее непременным свойством. Относительность движения

проявляется в многообразии конкретных изменчивых и преходящих

форм движения. Еще одним общим свойством движения является

присущее ему противоречивое единство прерывности и

непрерывности.

Правомерно говорить о двух основных типах движения.

Первый тип движения — это движение, когда сохраняется качество

предмета, его устойчивость. Другой тип движения, связанный с

изменением качественного состояния предмета, характеризуется как

развитие. Выделяются две разновидности развития. Первая

разновидность — это процессы качественных превращений, не

выходящие за рамки соответствующего вида материи,

определенного уровня ее организации. Вторая — процессы перехода

от одного уровня к другому. Примером первой разновидности

развития может служить эволюция звезд, формирование новых

видов животных и растительных организмов,

128

последовательные стадии развития отдельных организмов.

Примером второй разновидности является формирование из

элементарных частиц атомов и молекул, переход от неорганической

природы к биологическим уровням организации.

Соответственно иерархии структур материи существуют

качественно разнообразные формы ее движения. В настоящее время

в качестве основных выделяются такие формы движения, как

взаимопревращения элементарных частиц и полей, ядерные

превращения, внутриатомные процессы, химические превращения,

молекулярные процессы, геологическая форма движения,

органическая жизнь, общественная жизнь, различные космические

процессы и т. д. Особое место в современных классификациях

занимают так называемые общие формы движения (механическая,

физическая, химическая, биологическая, тепловая, кибернетическая

и др.), реализующиеся на различных структурных уровнях материи

и представляющие собой общие способы существования, общие

типы функционирования систем различной вещественной природы.

Различные формы и виды движения имеют структурное и

генетическое единство. Современная классификация форм

движения и взаимодействия материи следующая:

• пространственное перемещение, механическая форма

движения;

• электромагнитная форма движения, определяемая как

взаимодействие заряженных частиц;

• гравитационная форма движения;

• сильное (ядерное) взаимодействие;

• слабое взаимодействие (поглощение и излучение нейтрона);

• химическая форма движения (процесс и результат

взаимодействия молекул и атомов);

• геологическая форма движения материи (связанная с

изменением в геосистемах — материках, слоях земной коры и

т. Д.);

• космогоническая форма движения (эволюция отдельных

небесных тел и систем);

129