Концепции современного естествознания. Часть 1: Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Концепции современного естествознания Часть I Учебное пособие

РПК «Политехник» Волгоград 2006

УДК 502 (075) К 65 Рецензент: к. ф.-м. н., доц. Ю. А. Гнедов; к. с.-х. н. А. К. Зеленяк. Макаров В. М. КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. ЧАСТЬ I; Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. – 68 с. ISBN 5-230-04722-4 В первой части пособия рассматриваются в доступной форме разделы «История развития естествознания» и «Современная физическая картина мира». В конце каждого параграфа приводится перечень контрольных вопросов по пройденному материалу. Вопросы сформулированы в той же редакции, что и в карточках проверки знаний по итогам контрольных недель, и в карточках программированного тестового контроля по результатам семестра. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной и очно-заочной формам обучения, по специальностям 061100 «Менеджмент организаций» и 060500 «Бухгалтерский учёт и аудит». Ил. 2.

Библиогр.: 7 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Валентин Максимилианович Макаров КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. ЧАСТЬ I Учебное пособие Под редакцией автора Темплан 2006 г., поз. № 29. Лицензия ИД № 04790 от 18 мая 2001 г. Подписано в печать 23. 05. 2006 г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 4,25. Усл. авт. л. 4,13. Тираж 100 экз. Заказ Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

©

ISBN 5-230-04722-4

2

Волгоградский государственный технический университет, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение Глава I. История развития естествознания. 1. Содержание понятия естествознание. 2. Возникновение античной науки. Космоцентризм. 3. Первый (ионийский) этап развития натурфилософии. Учение о первоначалах мира. 4. Второй (афинский) этап развития натурфилософии. Возникновение атомистики. Учение Аристотеля. 5. Третий (эллинистский) этап в древнегреческой натур философии. Развитие математики и механики. 6. Древнеримский период античной натурфилософии. 7. Естествознание эпохи Средневековья. 8. Научные революции в истории общества. Сущность и механизм естественнонаучной революции. 9. Первая естественнонаучная революция. 10. Вторая естественнонаучная революция. Гелиоцентрическая система мира. Учение о множественности миров. 11. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механистическая картина мира. 12. Открытия, создавшие фундамент третьей естественнонаучной революции. 13. Теория Максвелла. Глава II. Современная физическая картина мира. 14. Возникновение и развитие квантовой физики. Гипотеза квантов 15. Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия. 16. Создание квантовой механики. 17. Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности. 18. Концепция атомизма и элементарные частицы. 19. Фундаментальные физические взаимодействия. Частицы – переносчики взаимодействия. 20. Гравитация. 21. Электромагнетизм. 22. Слабое взаимодействие. 23. Сильное взаимодействие. 24. Развитие представлений о пространстве и времени. 25. Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности (СТО). 26. Создание и развитие общей теории относительности (ОТО). 27. Экспериментальная проверка ОТО. Литература 3

4 8 8 9 10 11 14 16 17 18 19 20 21 27 27 29 29 30 33 35 37 45 46 47 48 49 51 55 62 66 69

ВВЕДЕНИЕ Наука подразделяется на три крупных блока – о природе, технические и гуманитарные науки. Каждый из этих блоков, в свою очередь, подразделяется на большое число общих разделов и частных дисциплин. В соответствии с названием изучаемого курса мы будем касаться преимущественно первого блока – наук о природе, или естествознания. Если излагать подробно весь научный материал, накопленный на протяжении длительного времени во всех отраслях естествознания, то получится огромный фолиант, может быть и нужный, но мало полезный даже для узких специалистов естественнонаучного профиля, не говоря уже о специалистах гуманитарных направлений. Задача изложения материала естествознания усложняется ещё и тем, что его форма должна быть доступной будущим специалистам, для которых естествознание не является профессиональной дисциплиной. Поэтому автор ограничивается изложением основополагающих идей – концепций современного естествознания. Слово «концепция», в переводе с латинского, означает: понимание, систему. Это определённый способ понимания или истолкования предметов, процессов, явлений, кратко выраженный основной смысл той или иной теории, её суть. Опыт преподавания курса для студентов гуманитарных направлений показывает, что знание концепций современного естествознания помогает будущим специалистам расширить кругозор и познакомиться с конкретными естественно - научными проблемами, тесно связанными с экономическими, социальными и другими проблемами, от решения которых зависит уровень жизни каждого из нас. Это очень важно именно в наше время, когда накатывается новая очередная историческая волна мифологизации культуры, всё чаще ставятся под сомнение достижения, ценности и возможности научного познания мира, когда происходит всплеск интереса к мистицизму, оккультизму, магии, спиритизму. В этих условиях приобретает особую значимость утверждение идеалов научно – рационального отношения к действительности, на которых построена вся наша цивилизация. На первый взгляд может показаться, что естествознание - ненужный груз для специалистов гуманитарного профиля. Зачем утруждать проблемами естественно - научных основ, например, энергетики или экологии будущих экономистов? Однако истинный экономист должен владеть не только законами экономики, но и естественно - научной сущностью объекта, для которого проводится экономический анализ. Без знаний естественно - научной сущности анализируемого объекта и без понимания естественно - научных основ современных технологий экономист, даже владеющий экономической теорией, не может дать серьёзных рекомендаций по оптимальному решению даже самого простого вопроса, связанного с оцен4

кой, например, экономической эффективности применения различных предлагаемых технологий изготовления, какого - либо товара народного потребления. Ведь каждая технология характеризуется своей спецификой, влияющей на качество товара, своим энергопотреблением, своей материально - технической базой, воздействием на окружающую среду и т.п., а это означает, что поставленный вопрос сопряжён с решением комплекса задач, включающего и экономические, и естественно - научные аспекты. Специалисту, владеющему вопросами современного естествознания вместе с теоретическими знаниями экономики, не составит труда решить не только простую задачу - составить экономически обоснованный бизнес - план, но и любую сколь угодно сложную экономическую задачу. Первую оценку того или иного предложения настоящий руководитель любого ранга обычно производит самостоятельно, прежде чем вынести окончательное решение, либо привлечь к решению специалистов. Вероятность того, что оценка будет объективной, а решение - единственным и правильным, тем выше, чем шире профессиональный кругозор руководителя. Это особенно важно при принятии особо ответственных решений, связанных, например, со строительством крупных объектов - мощных электростанций, протяжённых магистралей и т.п. – которые затрагивают интересы колоссального числа людей, часто и всего государства, иногда и многих государств. Не владея естественно - научными основами современных технологий получения электроэнергии, вряд ли можно принять решение о строительстве такой электростанции, которая наносила бы минимальный экологический ущерб и производила бы дешёвую энергию. Если руководители и работающие с ними специалисты вынесут решение без учёта естественно – научных основ энергетики и экологии, то оно может оказаться некомпетентным. Например, решение о строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках, которые, не только нарушают экологический баланс окружающей среды, но и производят не самую дешевую энергию. Причём на восстановление разрушенной среды потребуется гораздо больше энергии, чем её производят сами такие электростанции. Подобные некомпетентные решения могут послужить основой для строительства сверхмощной атомной электростанции в том регионе, где нет крупных потребителей энергии, и где природные условия позволяют строить электростанции совершенно другого типа, например, гелиоэлектростанцию. Мощности последней вполне достаточно для местного потребления, при этом не возникает проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния другим потребителям, что влечёт за собой неизбежные потери полезной энергии. Кроме того, гелиоэлектростанция практически не наносит экологического вреда окружающей среде. С проблемами энергетики, экологии понятно – ими должен владеть и инженер, и руководитель, и экономист. А нужны ли знания, например, о 5

генной инженерии? Оказывается нужны. Без таких знаний невозможно ни вывести высокопродуктивные породы животных, ни внедрить современные передовые технологии в сельском хозяйстве. Из вышеизложенного вытекают основные цели и задачи нашего курса: - понимание специфики гуманитарного и естественно – научного типов познавательной деятельности, необходимости их глубокого внутреннего согласования, интеграции на основе целостного взгляда на окружающий мир; - осознание исторического характера развития научного познания, исторической необходимости в периодической смене научных картин мира, научных революций; - формирование ясного представления о современной физической картине мира, как о системе фундаментальных знаний об основаниях целостности и многообразия природы, которые определяют облик современного естествознания; - формирование представлений о современной астрономической картине мира - получение представлений об эволюции химических знаний и современных концепциях ее развития; - получение представлений о современной биологической картине мира, о преемственности природных систем, их развитии от неживых к живым; - осознание содержания современных глобальных проблем в их связи с основными законами естествознания; - формирование представлений о принципах универсального эволюционизма и синэнергетики; - получение представлений о концепциях социальной эволюции, физиологических основах, психологии социального поведения и здоровья человека; - ознакомление с методологией естественнонаучного познания, принципами теоретического моделирования объекта в естествознании; - формирование представлений о радикальном качественном отличии науки от разного рода антинаучного мифотворчества, оккультизма, мистицизма и др. Исходя из перечисленных целей и задач, перед автором стояла довольно сложная проблема, как вместить весь материал в отведенные пять печатных листов. Наиболее простым оказался вариант деления курса на составляющие, и т.е. написание и последующее издание пособия по частям. В первую часть пособия включены разделы, «История развития естествознания» и «Физические концепции естествознания». Поскольку автор является приверженцем фронтального тестового опроса студентов, как по результатам контрольных недель, так и итого6

вому контролю, в конце каждого параграфа приводится перечень контрольных вопросов по пройденному материалу. Вопросы сформулированы также как они будут поставлены и в карточках опроса очередного практического занятия и в карточках проверки знаний по итогам контрольных недель и в карточках итогового контроля по результатам семестра. Опыт проведения такого опроса позволяет добиться высоких результатов успеваемости студентов по дисциплине.

7

ГЛАВА I. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. 1. Содержание понятия естествознание. Естествознание – это совокупность наук о природе, рассматриваемых как единое целое. Точное естествознание – это вполне оформленное (в математических формулах) точное знание обо всем, что действительно существует или может существовать во Вселенной. Первой формой существования естествознания была натурфилософия (лат. natura-природа), т.е. философия природы. Считалось, что философии отведена роль «науки наук», «царицы наук», ибо она была вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире, а естественные науки являются лишь её составными частями. Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического. Чем же объясняется появление и довольно длительное существование натурфилософии? 1. Естественнонаучного знания практически не существовало и попытки целостного охвата, объяснения окружающей действительности были единственным способом познания мира. 2. До ХIХ столетия естествознание было слабо дифференцировано, еще в ХVIII в. в качестве самостоятельных наук существовали лишь механика, математика, астрономия и физика. Химия, биология, геология находились в процессе становления. В такой ситуации натурфилософия стремилась заменить отсутствующие науки. 3. Отрывочные знания об объектах, явлениях природы, которые давало естествознание, натурфилософия истолковывала вымышленными, фантастическими причинами и связями. Придумывали какую-нибудь силу (например, «жизненную силу») или мифическое вещество (флогистон, электрическая жидкость, эфир и т. п.). Пробелы в естествознании восполнялись только в воображении. В ХIХ в. естествознание достигло достаточно высокого уровня развития, был накоплен и систематизирован большой фактический материал, т.е. когда были познаны действительные причины явлений, раскрыты их реальные связи между собой, существование натурфилософии потеряло свое значение. А в этой связи и понимание философии как «науки наук» прекратило свое существование. Однако тесная связь между философией и естествознанием сохраняется и по сей день. Естествознание исследует одни и те же явления с позиций сразу нескольких наук, «выискивая» наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает природу как бы сверху. Цель естествознания – исследование природы как единого целого. 8

Зачем изучают естествознание? Для того чтобы четко представить себе подлинное единство природы, то единое основание, на котором построено все разнообразие предметов и явлений природы и из которого вытекают основные законы, связывающие микро – и макромиры: Землю и Космос, физические и химические явления между собой, жизнью, разумом. Изучая отдельные естественные науки, невозможно познать природу как единое целое. Цели естествознания: (двойная задача). - 1. Выявление скрытых связей создающих органическое единство всех физических, химических и биологических явлений. -2. Более глубокое и точное познание самих этих явлений. 2. Возникновение античной науки. Космоцентризм. Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI веке до н.э. Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, являющаяся результатом деятельности особой группы людей (научного сообщества) по получению новых знаний. В отличие от ряда древних цивилизаций (Египет, Вавилон, Ассирия) именно в Древней Греции обнаруживаются указанные характеристики науки. Именно там возникли первые научные сообщества (Милетская школа, Платоновская академия, пифагорейцы). При этом древнегреческие мыслители были, как правило, одновременно и философами, и учеными естествоиспытателями. Их достижения в математике, механике, астрономии навечно вошли в историю науки. Это был доклассический этап в развитии естествознания (классическое естествознание начнется с ХVI–ХVII вв., когда будут заложены основы современной науки). Характеристика науки Древней Греции: - абстрактность; - отвлеченность от конкретных фактов; - налет мифологических представлений. Контрольные вопросы 1. Что является целью естествознания? 2. Чем объясняется появление и длительное существование натурфилософии? 3. Что понимается под наукой? 4. Какие черты были свойственны науке Древней Греции?

9

3. Первый (ионийский) этап развития натурфилософии. Учение о первоначалах мира. С VI в. до н.э. – особый период в истории развития науки и культуры Древней Греции. Завершилось формирование древнегреческих городов – государств. Выделялся Милет – главный город Ионийской Колонии в Малой Азии, на побережье Эгейского моря. Здесь сформировалась Милетская школа натурфилософии. Появились деньги, как всеобщий эквивалент при обмене и товаров. Эта чисто экономическая идея была, затем распространена на природу. Гераклит Эфесский (544–483 гг. до н. э.) – «первоначало» - огонь. «Этот Космос,- писал он, - единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живым огнем, в полную меру воспламеняющимся и в полную меру погасающим.» При этом Гераклит считал, что «все обменивается на огонь и огонь – на все, подобно тому, как золото на товары, а товары на золото» – античное понимание сущности природы. Основатель Милетской школы – Фалес Милесский (примерно 625547 гг. до н.э.) полагал, что началом всего существующего является вода. Все возникает из воды и обращается в воду – учил он. Нашу землю он сравнивал с островом, плавающим в океане воды. Оставил определенный след в математике и астрономии: - предсказал солнечное затмение; - открыл, что Луна светит не своим светом; - нашёл способ измерения высоты пирамид по длине их тени; - указал Полярную звезду и ряд созвездий, что послужило руково дством для мореплавания; - ввел календарь (360 дней в году и 30х дневных 12 месяцев). Ученик Фалеса – Анаксимен (около 585–524 гг. до н. э.)- признавал за основу всего «воздух», способный разрежаться и уплотняться. Различной степенью его разрежения и уплотнения он объяснял возникновение всех тел окружающего мира. Разрежаясь, воздух становится огнем, сгущаясь – облаками, водой и землей. Движение воздуха, порождающее многообразный мир, происходит вечно. Другой ученик Фалеса – Анаксимандр (610–546 г.г. до н.э.) пошел несколько другим путем – отказался от «стихий», первоосновой считал – «апейрон» (беспредельное, неопределенное). Анаксимандр полагал, что «апейрон» первоначально представлял из себя неопределенную туманную массу, находившуюся в постоянном круговом вращении, из которого в конце концов произошло все многообразие мира. Анаксимандру принадлежит первая попытка дать общекосмологическую картину мира: Земля – центр Вселенной, ее опоясывают 3 огненных кольца: солнечное, лунное и звездное. Эти кольца покрыты воздушной 10

оболочкой, когда она разрывается – человек видит небесные светила. В отличие от Фалеса Анаксимандр утверждал, что Земля пребывает в Мировом пространстве, ни на что не опираясь – это было самое значительное достижение научной мысли милетской школы. Особое место в науке Древней Греции занимал Пифагор (582–500 гг. до н.э.), который внёс немалый вклад для своей эпохи, в развитие математики и астрономии. Помимо известной всем «теоремы Пифагора» на счету этого античного учёного имеется и ряд других научных достижений. К их числу относятся, например, открытие того факта, что отношение диагонали и стороны квадрата не может быть выражено целым числом или дробью. Тем самым в математику было введено понятие иррациональности. Имеются упоминания о том что Пифагор придерживался мнения о шарообразности Земли и её вращении вокруг собственной оси. Вместе с тем Пифагор был геоцентристом, т.е. считал Землю центром Вселенной. «Самое мудрое в мире - число» - учил он. Мир состоит из пяти элементов (земля, огонь, воздух, вода и эфир). Пифагор увязал их с пятью видами правильных многогранников с тем или иным числом граней. Земля состоит из частиц кубической формы, огонь из частиц, имеющих форму четырехгранной пирамиды (тетраэдр), воздух – октаэдр, вода – из двадцатигранников (икосаэдров), а эфир – двенадцатигранников (додекаэдров). Ученики и последователи Пифагора (пифагорейцы) рассматривали всю Вселенную, как гармонию чисел и их отношений, приписывали определенным числам особые, мистические свойства, полагая что, владея всеми вещами, числа могут определить и духовные, в частности, нравственные качества. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные открытия основателя Милетской школы Фалеса. 2. Что считали «первоосновой» Фалес и его ученики Анаксимен и Анаксимандр? 3. Кто считал «первоосновой» всего огонь? 4. Перечислите основные открытия Пифагора. 5. Кому из древнегреческих учёных принадлежит первая попытка создания общекосмологической картины Вселенной? 6. Что лежит в основе учения Пифагора? 4. Второй (афинский) этап развития натурфилософии. Возникновение атомистики. Учение Аристотеля. V–IV в.в. до н.э. – возвышение Афин. Итогом взглядов представителей Милетской школы и Гераклита явилось учение Эмпедокла (483–423 гг. до н.э.), согласно которому природа признается самостоятельно существующей, вечной, а в качестве первоосновы всего ее многообразия вы11

двигаются четыре элемента или «корня»: земля, вода, воздух и огонь. Эти неизменные «корни» вещей, по мнению Эмпедокла, смешиваясь, друг с другом, образуют все богатство природы. Демокрит (около 460–370 гг. до н.э.) заложил основы концепции атомизма. Положения его атоминистического учения: 1. Вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц – атомов и незаполненного пространства – пустоты. Наличие последней является обязательным условием для осуществления перемещения атомов в пространстве. 2. Атомы неуничтожимы, вечны, а потому и вся Вселенная, из них состоящая, существует вечно. 3. Атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы – (атом – с греческого – «неделимый») – последние, образно говоря, представляют собой «кирпичики мироздания». 4. Атомы находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве. 5. Различаются атомы по форме и величине. Но все они настолько малы, что недоступны для восприятия органами чувств человека. Форма их может быть весьма разнообразной. Самые малые атомы имеют, например, сферическую форму. Это по выражению Демокрита «атомы души и человеческой мысли». 6. Все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний (подобно тому, как слова образуются из букв). Представляет интерес учение Демокрита о строении Вселенной. Из атомов, считал он, образуются не только окружающие нас предметы, но и целые миры, которых во Вселенной великое множество. При этом одни миры только еще формируются, другие – находятся в расцвете, а третьи уже разрушаются. Новые тела и миры возникают от сложения атомов. Уничтожаются они от разложения на атомы. Демокрита отличала глубокая преданность науке. Он говорил, что предпочитает найти одно причинное объяснение какому-либо непонятному явлению, нежели приобрести персидский престол. Аристотель (384–322 гг. до н.э.) - ученик древнегреческого философа Платона, получивший образование в его академии, Аристотель создал в Афинах свою собственную школу – Ликей. Математика, физика, астрономия, биология – круг интересов. Является создателем формальной логики, он ее называл силлогистикой, ибо в основе ее лежали силлогизмы, т.е. умозаключения, когда из двух суждений (посылок) вытекает определенное следствие. 12

Наибольших успехов среди естественных наук ему удалось достичь в изучении живой природы. Он определил жизнь как способность к самообеспечению, а также к независимому росту и распаду. В своих исследованиях он упоминает несколько сот различных животных. Многие факты, изложены Аристотелем были «переоткрыты» в последующие века. (Киты – живородящие животные, он различал хрящевых и позвоночных рыб, описывал разведение куриного яйца вплоть до появления цыпленка). Были и наивные и ложные представления о явлениях природы. Следуя учителю – Платону, он, приписывал движению некоторое «врожденное» свойство, заставляющее все на Земле стремиться к своему «естественному месту» (дым – вверх; камень – вниз). Несомненной заслугой Аристотеля было стремление к собиранию и систематизации знаний, накопленных в древнем мире. Исходя из своих представлений об отраслях знаний, он впервые попытался дать классификацию наук. С точки зрения Аристотеля, следует различать науки: теоретические – (познание ради него самого); практические – (дающие руководящие идеи для поведения человека); и творческие – (для достижения чего-либо прекрасного). Теоретические науки Аристотель разделил на три части: «первую философию», математику и физику. «Первая философия» посвящена неким высшим началам всего существующего, недоступным для органов чувств и постигаемым лишь умозрительно. В ведении математики находятся взятые в абстракции числовые и пространственные свойства тел. Физика изучает различные состояния тел в природе. В истории науки Аристотель известен также как автор космологического учения, которое оказало огромное влияние на миропонимание многих последующих столетий. Космология (учение о Вселенной) Аристотеля – геоцентрическое воззрение: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Шаровидность Земли Аристотель выводит из наблюдений сделанных им во время лунных затмений. Эти наблюдения показали круглую форму земной тени, надвигающейся на диск Луны. Только шаровидное тело может отбрасывать в сторону, противоположную Солнцу, тень, которая представляется темным кругом на лунном диске. Аристотель разделил мир на две области, качественно отличающиеся друг от друга: область Земли и область Неба. Область Земли имеет в своей основе четыре элемента: землю, воду, воздух и огонь (это те же четыре «стихии»). Область Неба имеет в своей основе пятый элемент – эфир, из которого состоят небесные тела. Самые совершенные – неподвижные звезды состоят из чистого эфира и не подвергаются воздействию четырёх земных стихий. Луна и планеты тоже состоят из эфира, но подвержены воздействию одной из стихий. За оболочкой воздуха вокруг Зем13

ли находится самый легкий из элементов – огонь, который помещается в пространстве между Землей и Луной и соприкасается с границей эфира. В отличие от воззрений Демокрита, космология Аристотеля включает представление о пространственной конечности мироздания. В этой конечной протяженности космоса расположены твердые кристальнопрозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движение объясняется движением указанных сфер. С внешней сферой соприкасается «Перводвигатель Вселенной», являющийся источником всякого движения. Он не материален, ибо это есть Бог. (Аристотель рассматривает Бога как разум мирового масштаба, дающий энергию «перводвигателю».) Геоцентрическая космология Аристотеля, впоследствии математически оформленная и обоснованная Птолемеем, заняла господствующее положение в космологии не только поздней античности, но и всего периода Средневековья – вплоть до ХVI века. Контрольные вопросы 1. Кто является основателем атоминистического учения? 2. В какой из естественных наук Аристотель достиг наибольших успехов? 3. Какие факты открытые и изложенные Аристотелем были «переоткрыты» в последующие века? 4. Какие науки выделил Аристотель в своей классификации? 5. В чём суть геоцентрической космологии Аристотеля? 5. Третий (эллинистский) этап в древнегреческой натурфилософии. Развитие математики и механики. Данный этап примерно с 330 по 30 гг. до н.э. Начинается с подчинения А. Македонским самостоятельных городов – государства Древней Греции и завершается возвышением Древнего Рима. А. Македонский и его преемники – Птолемеи серьезно относились к совершенствованию технологии техники, финансированию науки. В Александрии в нач. III в. до н.э. был создан Музейон (храм муз), он был связан с афинским Ликеем, основанным еще Аристотелем, а впоследствии возглавлявшимся известным ученым Стратоном. Крупнейшим ученым-математиком в тот период был Евклид, живший в III в. до н.э. в Александрии. В своих «Началах» он привел в систему все математические достижения того времени. Состоящие из пятнадцати книг «Начала» содержали не только результаты трудов самого Евклида, но включали достижения других древнегреческих ученых. В «Началах» были заложены основы античной математики. Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, носящей по сей день его имя. 14

Эйнштейн: «Мы почитаем Древнюю Грецию как колыбель западной науки. Там была впервые создана геометрия Евклида – это чудо мысли. Тот не рожден для теоретических исследований, кто в молодости не восхищался этим творением». Эпикур (324–270 гг. до н.э.) – разделял точку зрения Демокрита (мир состоит из атомов и пустоты) и внёс в описание атомов по Демокриту поправки: атомы не могут превышать известной величины, число их форм ограничено, атомы обладают тяжестью и т. д. Но самое главное в учении Эпикура – попытка найти какие-то внутренние источники жизни атомов. Он высказал мысль, что изменение направления их движения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов. Это был шаг вперед по сравнению с Демокритом, у которого атом непроницаем, неподвижен и безжизненен. Архимед (287–212 гг. до н.э.) – первый представитель математической механики, математической физики. Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа π; ввел понятие центра тяжести и определение его для различных тел; дал математический вывод законов рычага. Ему принадлежит выражение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Архимед положил начало гидростатике, которая нашла широкое применение при проверке изделий из драгоценных металлов и определении грузоподъемности кораблей. Широчайшую известность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Согласно этому закону, на всякое тело, погруженное в жидкость, действует поддерживающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости, направленная вверх и приложенная к центру тяжести вытесненного объема. Если вес тела меньше поддерживающей силы, тело всплывает на поверхность, причем степень погруженности плавающего на поверхности тела определяется соотношением удельных весов этого тела и жидкости. Если вес тела больше поддерживающей силы, то оно тонет. В случае же, когда вес тела равен поддерживающей силе, это тело плавает внутри жидкости (как рыба или подводная лодка). Архимеда отличали ясность, доступность научных объяснений изучаемых им явлений. Древнегреческий мыслитель Плутарх писал: «Если бы кто-либо попробовал сам разрешить эти задачи, он ни к чему не пришел бы, но, если бы познакомился с решением Архимеда, у него тотчас бы получилось такое впечатление, что это решение он смог бы найти и сам – столь прямым и кратким путем ведет нас к цели Архимед». Ему принадлежат многочисленные изобретения: - «архимедов винт»- устройство для подъёма воды на более высокий уровень; - системы рычагов, блоков, винтов для подъёма больших тяжестей; - метательные военные машины. 15

Контрольные вопросы 1. Как назывался труд древнегреческого математика Евклида, и что в нём излагалось? 2. Что нового в описание атома по Демакриту внёс Эпикур? 3. Кто был первым представителем математической механики и математической физики? 4. Перечислите основные изобретения Архимеда. 6. Древнеримский период античной натурфилософии. Новых идей было выдвинуто значительно меньше, чем в Древней Греции. Тит Лукреций Кар (Лукреций) (живший в I в. до н. э.). Философская поэма «О природе вещей», содержит интересные сведения об атомистских воззрениях Демокрита и Эпикура (поскольку из сочинений последних до нас дошли лишь немногие отрывки). Лукреций высказал мысль о вечности материи. Вещи временны, они возникают и исчезают, распадаясь на атомы – они первичные составные части. Атомы же вечны, и их количество во Вселенной всегда остается одним и тем же. Отсюда вытекает вывод о вечности материи, которую Лукреций отождествлял с атомами. Можно назвать еще сочинения Аннея Сенеки, Паппа Александрийского, Диофанта, Манилия. Все они написаны в литературной форме, т.е. в виде диалогов, поэм, энциклопедий. Сочинения Сенеки содержат сведения по физике, метеорологии, географии. Поэма Манилия касается астрономии. А сочинения Паппа Александрийского и Диофанта посвящены главным образом математике. Клавдий Птолемей (приблизительно 90–168 гг. н.э.) – фактически древнегреческий ученый (жил в Александрии), но деятельность его протекала в период расцвета Римской империи. Один из крупнейших ученых античности. Главный труд – «Математическая система», определил развитие астрономии более чем на тысячелетие. Сохранился только арабский перевод, который только в ХII веке был переведен на латинский язык. Поэтому книга Птолемея дошла до нас под арабским латинизированным названием «Альмагест». В книге нашла отражение колоссальная работа Птолемея по созданию первой математической теории, описывающей движение Солнца и Луны, а также пяти известных тогда планет на видимом небосводе. В «Альмагесте» Птолемей рисует следующую схему мироздания: в центре Вселенной находится неподвижная Земля. Ближе к Земле находится Луна, а затем следуют Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Объясняя такой порядок планет, Птолемей исходил из предположения, что 16

чем быстрее движется планета, тем ближе к Земле она расположена. Геоцентрическая модель просуществовала очень долго – целых 1375 лет. После Коперника Птолемея вспоминали как автора отвергнутой системы мира. Контрольные вопросы 1. Кто из учёных в древности первым высказал мысль о вечности материи? 2. Как назывался главный труд Птолемея, и что нашло в нём отражение? 3. Сколько лет просуществовала геоцентрическая модель Вселенной Аристотеля – Птолемея? 7.

Естествознание эпохи Средневековья.

Наблюдался закат греко-римской культуры и резкое усиление влияния церкви. Философия тесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее «служанкой». Возникает непреодолимое противоречие между наукой (наблюдения, опыт, обобщение результатов) и схоластическим богословием (религиозные догмы). Европейская христианская наука переживала длительный упадок (до ХII–ХIII вв.), на Востоке наоборот – прогресс науки. Со второй половины VIII в. научное лидерство явно переместилось из Европы на Ближний Восток. В IХ в., наряду с трудом Птолемея («Альмагест»), на арабский язык были переведены «Начала» Евклида и сочинения Аристотеля. Таким образом, древнегреческая научная мысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитию математики и астрономии. В этот период известны имена таких арабских ученых, как Мухаммед аль-Баттани (850– 929 гг.), астроном составивший новые астрономические таблицы, Ибн – Юнас (950–1009 гг.), достигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший немало ценных наблюдений лунных и солнечных затмений, Ибн аль-Хайсам (965–1020 гг.), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн-Рушд (1126–1198 гг.), виднейший философ и естествоиспытатель, считавший Аристотеля своим учителем. Средневековой арабской науке принадлежат и наибольшие успехи в химии. Опираясь на материалы александрийских алхимиков I века некоторых персидских школ, арабские химики достигли значительного прогресса в своей области. В их работах алхимия постепенно превращалась в химию. А уже отсюда (благодаря главным образом испанским маврам) в позднем средневековье возникла европейская химия. Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться с ХII века. Обучение стало носить более систематический характер. 17

ХIII век характерен для европейской науки началом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архимеда. Группа ученых Парижского университета во главе с Иорданом Неморарием (вторая половина ХIII в.) развивает античное учение о равновесии простых механических устройств, решив задачу, с которой античная механика справиться не могла – задачу о равновесии тела на наклонной плоскости. В ХIV в. в полемике с античными учениями рождались новые идеи, начинают использоваться математические методы, т. е. идет прогресс подготовки будущего точного естествознания. Лидерство переходит к группе ученых Оксфордского университета, среди которых наиболее значительная фигура – Томас Брадвардин (1290–1349 гг.). Ему принадлежит трактат «О пропорциях» (1328 г.), который в истории науки оценивается, как первая попытка написать «Математические начала натуральной философии» (через 360 лет спустя так назовет свой труд Исаак Ньютон). В средневековье интерес к науке все же не угасал. Вместе с тем научные знания этой эпохи ограничивались лишь познанием отдельных явлений и легко укладывались в умозрительные натурфилософские схемы мироздания, выдвинуты в период античности (главным образом в учениях Аристотеля). Естествознание находилось в стадии «преднауки». 1. 2. 3. 4. 5.

Контрольные вопросы В чём противоречие между наукой и теологией? С чем связан упадок европейской науки с VIII по XII века? В какой науке добились наибольших успехов арабские учёные? Что способствовало подъёму западной христианской науки? Чем характерен для европейской науки XIII век? XIVвек? 8. Научные революции в истории общества. Сущность и механизм естественнонаучной революции.

Развитие естествознания не является монотонным процессом количественного накопления знаний об окружающем природным миром. И если процесс простого приращивания знаний (а иногда и вымыслов) был присущ для натурфилософии античности, для «преднауки» средневековья, то с XVI века характер научного процесса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы в научном познании получили наименование научных революций. В любой научной революции можно выделить более и менее длительный исторический период, в течение которого она происходит. Периоды революций в науке, отмечал известный физик Луи де Бройль, «всегда характеризуют решающие этапы в прогрессивном развитии наших знаний». 18

Эти решающее этапы в развитие фундаментальных наук можно разделить по результатом и степени влияния на развитие науке в целом на глобальные научные революции и на «микрореволюции» в отдельных науках. Последние означает создание новых теорий в том или иной области науки, которые меняют представления об определенном, сравнительно узком круге явлений, но не оказывают решающего влияния на существующую научную картину мира, требуют коренного изменения способа научного мышления. Глобальная научная революция приводит к формированию совершенного нового видения мира, вызывает появление принципиально новых представлений о его структуре и функционировании, а также влечет за собой новые способы, методы его познания. Глобальная научная революция может происходить первоначально в одной из фундаментальных наук, превращая её в лидера науки. 9.

Первая естественнонаучная революция.

Первая научная революция стала результатом систематизации накопленных знаний. Опыт древних греков стал одной из предпосылок первой естественнонаучной революции. Из опыта путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. Полярная звезда на Северном полюсе находится прямо над головой наблюдателя. Человеку же на экваторе кажется, что она располагается на линии горизонта. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора. Аристотель обобщил астрономические наблюдения своих предшественников и догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара. Основываясь на наблюдениях, проведенных предшественниками, Аристотель предположил, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам. Математическое описание сделал Птолемей, он превратил идею Аристотеля в космическую модель геоцентрической системы мира. Земля в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и планеты. Что лежит за последней сферой не объяснялось. Главный итог первой естественнонаучной революции (преобразовавшей астрономию, космологию и физику) – создание последовательного учения о геоцентрической системе мира, начатое еще в VI веке до н.э. Анаксимандром и Аристотелем. Эту научную революцию естественно назвать Аристотелевой. 19

10. Вторая естественнонаучная революция. Гелиоцентрическая система мира. Учение о множественности миров. Период конца ХV–XVI в.в. – переход от средневековья к Новому времени – эпоха Возрождения (возрождение культурных ценностей античности, отсюда и название). Расцвет искусства, утверждение идей гуманизма. Вместе с тем эпоха Возрождения отличалась существенным прогрессом науки и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473–1543 гг.). В своем труде «Об обращении небесных сфер» Коперник утверждал, что Земля не является центром мироздания и что «Солнце, как бы восседая на Царском престоле, управляет вращающимся около него семейством светил». Это был конец аристотелево – птоломеевской геоцентрической системы мира. На основании большого числа астрономических наблюдений и расчетов Коперник создал новую гелиоцентрическую систему мира, что явилось революцией. Земля – одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам, одновременно вращается вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи, видимое нами движение звездного неба. Но гелиоцентрическая система мира не сводилась только к перестановке предполагаемого центра Вселенной. Коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчинением некоторым закономерностям единой механики. Тем самым было разрушено представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», якобы приводящем в движение Вселенную. Коперник показал ограниченность чувственного познания, неспособного отличить то, что нам представляется, оттого, что в действительности имеет место (визуально нам кажется что Солнце «ходит» вокруг Земли). Таким образом он продемонстрировал слабость принципа объяснения окружающего мира на основе непосредственной видимости и доказал необходимость для науки критического разума. Учение Коперника подрывало опиравшуюся на идеи Аристотеля религиозную картину мира, которая исходила из признания центрального положения Земли, что давало основание объявлять находящегося на ней человека центром и высшей целью мироздания. Католическая церковь не могла согласиться с этими выводами. Защитники учения Коперника были объявлены еретиками и подвергнуты гонениям. Сам Коперник избежал этого ввиду своей смерти, которая случилась в этом же году, в котором был опубликован его главный труд «Об обращении небесных сфер»(1543 г.). В1616 году этот труд был занесен в панский «Индекс запрещенных книг, откуда был, вычеркнут лишь в 1835 году. 20

Идея гелиоцентрической Вселенной и движущейся Земли начала быстро завоевывать умы ученых. В Англии теория Коперника нашла прочную поддержку. Там вышла книга Томаса Диггса (около 1545–1595 гг.) «Совершенное описание небесных сфер», где Диггс почти полностью перевел труд Коперника на английский язык. В 1583 году Англию посетил доминиканский монах Джордано Бруно (1548–1600 гг.), где он познакомился с теорией Коперника. Его горячую поддержку идей Коперника и представлений о бесконечном звездном Космосе Католические церковника сочли проявлением еретических отношений к церкви. В 1600 году Джордано Бруно был сожжен на костре за ересь, а Католическая церковь предала теорию Коперника анафеме. Недостатком взглядов Коперника было то, что он разделял господствующее до него убеждение в конечности мироздания, полагал, что Вселенная где-то заканчивается твердой сферой, на котором были закреплены неподвижные звезды. Нелепость такого взгляда на Вселенную обнаружилась в расчетах проведенных датским астрономом Тихо Браге (1546–1601 гг.). В 1577 году он сумел рассчитать орбиту кометы, проходившую вблизи планеты Венера. Согласно его расчетам получалось, что эта комета должна была натолкнуться на твердую поверхность сферы, ограничивающей Вселенную, если бы такая существовала. В 1588 году, ради спасения наглядности, выдвинул гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее вращается Солнце с планетами и Луна. Величие созданной Коперником гелиоцентрической системы мира обнаружилось, после того как Кеплер открыл истинные законы эллиптического движения планет, а Ньютон на их основе – закон всемирного тяготения. Леверье и Адамс на основании данных этой системы предсказали существование и теоретически определили местонахождение неизвестной планеты (Нептуна), а Галле, направив телескоп в указанную точку неба открыл ее. Это был триумф учения Коперника. 11. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механистическая картина мира. Эпоха Нового времени. Она охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX в. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые как Галилей, Кеплер, Ньютон. В учении итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642 гг.) были заложены основы нового механистического естествознания. Как свидетельствует А. Энштейн, «самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности – это проблема движения». 21

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если воздействие прекращается тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с нашим повседневным опытом) является ошибочным. Вместо него Галилей сформировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состояние покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия. Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформировав свой принцип относительности согласно которому «никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно». Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, он внёс немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов. Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Галилей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и вооруженного математическим знанием разума, – а не путем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыслителей. Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновавшие и утверждавшие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оптический прибор с 3-х кратным увеличителем, а впоследствии был создан телескоп с 32-х кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и открытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера – Галилей обнаружил четыре спутника (из 13 известных в настоящее время). Наблюдение за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либрацию, т.е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Галилей убедился, что 22

кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд, а не представляет собой некое атмосферное явление, как утверждал Аристотель. Но самое главное в деятельности Галилея как ученого астронома состояло в отстаивании справедливости учения Николая Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дать блестящее естественнонаучное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой». Преследование инквизиции, затем унизительное судилище подорвали здоровье Галилея. Однако несмотря на запрет инквизиции за четыре года до смерти, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй книги «Две новые науки». Именно эта работа дала рождение современной науке. Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания, т.к. им впервые в истории науки сформулированы требования к научным экспериментам. С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – первой трети XVII в.в. Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.). Эта оценка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о «Звездном вестнике». Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе Кеплер отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет вокруг Солнца. В этом законе утверждается, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. Из этого закона следовал вывод, что скорость движения планеты по орбите не постоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него. Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил Рудольфовы таблицы – по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома. С помо23

щью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет. Кеплеру принадлежит также решение ряда важных для практики стереометрических задач. Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентрической космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив несколько из них в список запрещенных книг. Но сам Кеплер прекрасно понимал значение выполненных им работ. Не без сарказма он писал: «Мне все равно кто будет меня читать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Разве Господь Бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-нибудь занялся созерцанием его творений». Главной заслугой Кеплера было открытие законов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики были разработаны лишь статика – учение о равновесии (которое разрабатывалось еще в античности, в первую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сделаны первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика – учение о силах и их взаимодействии – была создана лишь позднее Исааком Ньютоном. В такой ситуации большое впечатление произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х годах XVII века французским ученым Рене Декартом (1596–1650 гг.). Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окружая все небесные тела, увлекают их и приводят в движение. Солнечная система представляет собой громадный вихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнечный вихрь увлекает в своем движении все планеты. Центрами других, меньших вихрей, вращающихся вокруг Солнца, являются планеты. Планетные вихри вовлекают в круговое движение спутники этих планет. Так, вихрь, окружающий Землю, приводит в движение вокруг Земли ее спутник – Луну. Причем в каждом вихре тело, находящееся ближе к центру, вращается вокруг него быстрее, чем более далекое. Этим Декарт объяснял тот факт, что чем ближе планеты к Солнцу, тем короче периоды их вращения вокруг него (всего 88 дней для Меркурия, 225 дней для Венеры, 365 дней для Земли и т. д.). Что касается эллиптического движения планет по уже известным законам Кеплера, то Декарт не смог ясно этого объяснить. Космологическая гипотеза Декарта оказалась несостоятельной и была отвергнута последующим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области – в математике. Создание им основ аналитической геометрии, введение осей координат, носящих по сей день наименование декартовых, им многих алгебраических обозначений, формулирования понятия переменной величины – вот далеко не полный перечень, того что сделал Декарт в области математики, обеспечив её существенный прогресс. 24

Вторая научная революция завершилась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643–1727 гг.). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов (он, так же как и Галилей, именно телескопу обязан первым признанием своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в области дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики, господства механических представлений о мире. В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов. Первый закон механики Ньютона – это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго закона механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Третий закон механики Ньютона – это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны. Данная система законов движения была дополнена открытием Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массе и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними. Ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Это был закон природы, которой подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основанием создания небесной механики – науки, изучающей движение тел солнечной системы. Как пишет известный японский физик Х. Юкава, «Ньютон многое отсек у реального мира, о котором размышляют 25

физики…Конечно, Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое существенное и создает единую картину мира. Ему принадлежит, по крайней мере, построение теории Солнечной системы. Это один из миров. Остается еще…и множество других миров. В них он не успел разобраться, но Солнечная система прекрасно воссоздана в рамках его механики». В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. В своей знаменитой работе Ньютон предложил ученому мира научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, но и в Европе. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед. Итак, вторая естественнонаучная революция была физически завершена Ньютоном. Вторая, естественнонаучная революция, преобразовавшая все естествознание представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, а от него – к полицентризму. Контрольные вопросы 1. В чём разница между «микрореволюцией» в отдельных науках и глобальной революцией? 2. Что явилось главным итогом первой естественнонаучной революции? 3. В чём суть гелиоцентрической системы мира Коперника? 4. Что является недостатком взглядов Коперника? 5. Какие учёные стояли у истоков современной науки? 6. Кто является основателем механистического естествознания? 7. В чём суть принципа инерции Галилея? 8. Сформулируйте принцип относительности механического движения. 9. Какие основные Галилея открытия вы знаете? 10. Как назывались основные труды Галилея? 11. Сформулируйте законы небесной механики Кеплера. 12. Какие достижения Рене Декарта в математике вы знаете? 13. Сформулируйте законы Ньютона. 14. Как назывался и в чём суть главного труда Ньютона? 15. Что явилось главным итогом второй естественнонаучной революции? 26

12. Открытия, создавшие фундамент третьей естественнонаучной революции. Третьей естественнонаучная революция начинается с открытий Ампера, Эрстеда и Майкла Фарадея. Датский физик Эрстед (1777–1851 гг.) и французский физик Ампер (1775–1836 гг.) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер по существу стал творцом новой науки – электродинамики. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это великое открытие! Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов. Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 года, когда вышел в свет его обобщающий труд «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта». В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики. Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791–1867 гг.). Он открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита. Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль как и сам магнит. 13. Теория Максвелла. В 60-х годах ХIХ в. английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879 гг.) развил теорию Фарадея и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. 27

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т.е. силы неэлектростатического происхождения. Возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны не с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрического поля, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого воздействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой – напряженностью поля в этой точке. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. На этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Основной работой Максвелла, заключавшей в себя математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году. Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Контрольные вопросы 1. Кто является создателем электродинамики? 2. Кто сформулировал закон о взаимодействии токов? 3. Открытием какого явления обессмертил своё имя Фарадей? 4. Какие важные выводы следуют из теории электромагнитного поля Максвелла? 5. Кем впервые был сделан вывод, что свет – разновидность электромагнитных волн? 28

ГЛАВА II. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА. 14. Возникновение и развитие квантовой физики. Гипотеза квантов. Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает энергию независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в ХIХ в. привело к тому, что при излучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории. Г. Кирхгоф в 1860г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ – соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящих от длины волны и температуры Т, то ΕλΤ ( , Τ) ΑλΤ = где ω - некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел. Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ=1; тогда универсальная функция ω равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции ω, а лишь отметил некоторые ее свойства. При определении вида универсальной функции ω естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. А. Больцман показал, что полная энергия изменения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху. В 80-е гг. ХIХ в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции ω стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. (В. Вином в 1896г. и Дж. Рэлей и Дж. Джинсом в 1900 г. – предложены две различные формулы, для длинных и коротких волн, однако общие закономерности так и не были выявлены). В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества Макс Планк (1858–1947 гг.) предложил новую формулу для распределения 29

ωλ

энергии в спектре черного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами (Е). Более того, Е не является любой величиной, а именно, Е=hν, где h – определенная константа, ν – частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики. Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики. Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярноволновой дуализм светового излучения нельзя объяснять с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже – вместе с созданием квантовой механики. Контрольные вопросы 1. Сформулируйте закон Кирхгофа. 2. Какое тело называется «абсолютно чёрным»? 3. Кем впервые сформулирована гипотеза квантов? 4. Кого и почему называют основоположником теоретической квантовой физики? 5. Какое понятие в развитии квантовой гипотезы было использовано А. Эйнштейном для объяснения явления фотоэффекта? 6. Кто и когда первым показал, что свет обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами? 15. Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия. В свете всех выдающихся открытий конца ХIХ – начала ХХвв., которые революционизировали физику, одной из ключевых стала проблема строения атомов. Еще в 1889г. в своей Фарадеевской лекции Д.И. Менделеев отмечал, 30

что в результате выявления специфической периодичности химических свойств элементов, расположенных по возрастающим атомным весам, центральной проблемой физики становится проблема строения атома. В 1909–1910 гг. Э. Резерфордом были проведены экспериментальные исследования рассеяния α - частиц тонким слоем вещества. Как показали эти исследования, большинство α - частиц, пронизывающих тонкий слой вещества, рассеиваются силовыми центрами, которые действуют на них с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Некоторые сравнительно немногие частицы отклонялись на угол 90 градусов и более; по-видимому, они встретились с очень сильными электрическими полями. Результаты этого исследования позволили Резерфорду в 1911 г. сформулировать планетарную модель атома. По модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра гораздо меньших размеров, нежели атом – порядка 10-13 см. Вокруг ядра вращаются электроны. Общий заряд атома равен нулю, поэтому заряд ядра по абсолютной величине равен ne, где n-число электронов в атоме, а е – заряд электрона. Резерфорд полагал также, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в Периодической системе Менделеева. Но модель атома Резерфорда не объяснила многих выявленных к тому времени закономерностей изучения атомов, вид атомных спектров и др. Более совершенную квантовую модель атома предложил молодой датский физик Нильс Бор (1885–1962 гг.), работавший в лаборатории Резерфорда. Бор понял, что для построения теории, которая объясняла бы и результаты опытов по рассеянию α - частиц, и устойчивость атома, и сериальные закономерности, и ряд других экспериментальных данных, нужно отказаться от ряда принципов классической физики. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые не следуют или даже противоречат классическим представлениям. Эти гипотезы известны как постулаты Бора. Они сводятся к следующему. 1. Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенной орбите, с определенным значением энергии, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения. В этих состояниях атомные системы обладают энергиями, образующими дискретный ряд: Е1, Е2…Еn. Состояния эти характеризуются своей устойчивостью. Всякое изменение энергии в результате поглощения или испускания электромагнитного излучения может происходить только скачком из одного состояния в другое. 2. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую. Только в этом случае он испускает или поглощает определенную порцию энергии монохроматического излучения определенной частоты. Эта частота зависит от уровня изменения энергии атома при таком переходе. Если при переходе электрона с орбиты на орбиту энергия атома из31

меняется от Еm до En, то испускаемая или поглощаемая частота определяется условием h νmn=Em-En Эти постулаты Бор использовал для расчета простейшего атома (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Объяснение спектра водорода было большим успехом теории Бора. Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в создании теории атома, поэтому пришлось воспользоваться следующим приемом: сначала задача решалась при помощи классической механики (заведомо неприменимой полностью к внутриатомным движениям), а затем из всего непрерывного множества состояний движения, к которым приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Несмотря на все несовершенство этого метода, он привел к большим успехам – позволил объяснить сложные закономерности в атомных и молекулярных спектрах, осмыслить природу химических взаимодействий и др. Такой подход, по сути, является частным случаем общего принципа, играющего важную роль в современной теоретической физике – принципа соответствия, который гласит, что всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую. Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснение структуры их спектров принесли некоторые успехи, однако здесь исследователи столкнулись с большими трудностями. Введение четырех квантовых чисел, характеризующих состояния электрона в атоме, установление принципа Паули (согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии) и объяснение периодической системы Менделеева – большие успехи теории атома Бора. Однако они не означали, что эту теорию можно считать завершенной. Во-первых, постулаты Бора и многие принципы его теории имели характер непонятных, ни откуда не следуемых утверждений, которые еще должны получить свое обоснование. Вовторых, в некоторых даже довольно простых случаях применение данной теории встречало непреодолимые трудности; так, например, попытки теоретически рассчитать даже такой, казалось бы, простой атом, как атом гелия, не привели к успеху. Физики ясно понимали неудовлетворенность боровской теории атома. Таким образом, в первой четверти ХХ в. перед физикой все еще стояла задача поиска новых путей развития теории атомных явлений. Ее решение потребовало отказа от ряда давно установленных понятий и выработки совершенно новых теоретических представлений и принципов. 32

Контрольные вопросы 1. Результаты каких исследований позволили Э. Резерфорду в 1911 году сформулировать планетарную модель атома? 2. Что собой представляет планетарная модель атома Резерфорда? В чём её недостатки? 3. Сформулируйте постулаты Н. Бора. 4. В чём суть принципа соответствия в теоретической физике? 5. В чём проявились успехи теории атома Н. Бора и почему её нельзя назвать завершённой? 16. Создание квантовой механики. Такие новые представления и принципы были созданы плеядой выдающихся физиков ХХ в. в 1925–1927 гг.: В. Гейзенберг установил основы так называемой матричной механики; Луи де Бройль, а за ним Э. Шредингер разработали волновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика – различные формы единой теории, получившей название квантовой механики. К созданию матричной механики В. Гейзенберг пришел в результате исследований спектральных закономерностей, а также теории дисперсии, где атом представлялся некоторой математической моделью – как совокупность виртуальных гармонических осцилляторов. Представления об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают определенной массой, движутся с определенной скоростью по определенной орбите, нужно понимать лишь как аналогию для установления математической модели. Указанный метод исследования и развил Гейзенберг, распространив его вообще на теорию атомных явлений. В 1926 г. Гейзенберг впервые высказал основные положения квантовой механики. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна ограничиваться установлением соотношения между величинами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях («наблюдаемыми» величинами, в терминологии Гейзенберга) – частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией т.п. «Ненаблюдаемые» величины, такие как координаты электрона, его скорость, траекторию, по которой он движется, и т. д., не следует использовать в теории атома. Однако в согласии с принципом соответствия новая теория должна определенным образом соответствовать классическим теориям, т.е. соотношения величин новой теории должны быть аналогичными соотношениям классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и, пользуясь 33

классическими соотношениями, составить соответствующие им соотношения между найденными квантовыми величинами. Такие соответствия могут быть получены только из операций измерения. Анализируя закономерности измерения величин в квантовой механике, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозможности одновременного точного измерения двух сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенностей qi pi ~h, где qi - точность измерения какой-либо из координат частицы; pi – точность одновременного измерения соответствующего импульса; h – постоянная Планка. Этот принцип является основой физической интерпретации квантовой механики. Второе направление в создании квантовой механики сначала развивалось в работах Луи де Бройля. Он высказал идею о волновой природе материальных частиц. На основании уже установленного факта одновременно и корпускулярной, и волновой природы света, а также оптикомеханической аналогии де Бройль пришел к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обратили серьезного внимания. Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с «удивлением, к которому, несомненно, примешивалась какая-то доля скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние идеи де Бройля оказали на Эрвина Шредингера, который увидел в них основу для создания новой теории квантовых процессов. В 1926 г. Шредингер, развивая идеи де Бройля, построил так называемую волновую механику. Шредингер приходит к мысли, что квантовые процессы следует понимать как некие волновые процессы, характеризуемые волновой функцией. Тогда образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, строго говоря, является приближенным и может быть сохранен только при рассмотрении макропроцессов, подобно тому, как мы пользуемся представлением о световом луче, которое теряет смысл, если рассматривать явления дифракции и интерференции. Функция должна удовлетворять волновому уравнению («уравнение Шредингера»). Шредингер поставил вопрос о связи его теории с теорией Гейзенберга и показал, что при всем различии исходных физических положений они математически эквивалентны. Иначе говоря, в квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезает. Так, например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электрона, волны склады34

ваются и образуют боровские разрешенные орбиты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют впадины, там орбиты не будут разрешены. Волновая механика получила прямое экспериментальное подтверждение в 1927 г., когда К. Дж. Дэвиссон и П. Джермер обнаружили явление дифракции электронов. Кроме того, выяснилось, что правильно и количественное соотношение для длин волн «волн де Бройля». Квантовая механика – теоретическая основа современной химии. Ядро атома с порядковым номером N и массовым числом M содержит N протонов и (M-N) нейтронов (всего M нуклонов). Число электронных оболочек равно числу протонов в ядре, поэтому в нормальном состоянии атом нейтрален. Электроны распределяются на оболочках в строгом порядке: на первой к ядру не более 2 элементов; на втором – не более 8; на третьей – не более 18 и т.д. Когда два атома сталкиваются, они или вновь объединяются вместе, обобществляя свои оболочки, или вновь расходятся после перераспределения электронов. Число электронов на внешней оболочке и определяет химическую активность элемента. С помощью квантовой теории удалось построить также более совершенные теории твердого тела, электрической проводимости, термоэлектрических явлений и т.д. Она дала основания для построения теории радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики. Вслед за основополагающими работами Шредингера по волновой механике были предприняты первые попытки релятивистского обобщения квантово-механических закономерностей, и уже в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики. 17. Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности. Созданный группой физиков в 1925–1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественной оценке значительного эмпирического материала; показал, что квантовая механика пригодна для описания определенного круга явлений. Вместе с тем её абстрактность и значительные отличия от классической механики создавали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения. А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово - механическое описание физической реальности существенно неполно, т.е., созданная теория не является фундаментальной, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому ее необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами. 35

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг) считали, что новая теория является фундаментальной и дает полное описание физической реальности, а прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике. Иначе говоря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той части ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалось вплоть до конца 40-х гг. завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце IX века. Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве, будь то световое поле или поле которое описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти микроявления выступают как частицы. Причина корпускулярно-волнового дуализма по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании. Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи: 1. каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе; 2. каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта. Вследствие того, что сведение о микрообъекте, о его характеристиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т.е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены говорить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классическим. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиальное поведение микрочастиц – на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга. 36

При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, а в другом случае – пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания. Контрольные вопросы 1. Кем и когда были установлены основы матричной механики? 2. Какой принцип является основой физической интерпретации квантовой механики? 3. Кто первым пришёл к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи? 4. Кто является автором волновой механики? 5. Обнаружение, какого явления дало экспериментальное подтверждение волновой механики? 6. Какие теории позволила объяснить и построить теоретическая квантовая механика? 7. Сформулируйте принцип дополнительности. 18. Концепция атомизма и элементарные частицы. Составной частью научной картины мира являются представления о строении материи. В истории философии и естествознания самым плодотворным оказались идеи атомизма, уходящие своими корнями в античную философию. Поэтому с начало несколько слов об античных атомистах и их предшественниках. (Фалес (625–574 гг. до н. э.): основа всего, всех вещей – вода, из нее все возникло и в нее же все превращается в результате гибели. Анаксимен (585–525 гг. до н. э.) – такой основой является воздух; но Гераклиту (Эффесскому) (ок. 544–483 гг. до н. э.) – огонь, по Ксенофану Колофонскому (565–473 гг. до н. э.) – земля. В V в. до н.э. древнегреческий мыслитель Левкипп (современник и предполагаемый учитель Демокрита), а затем и глава школы атомистов Демокрит (460–370 гг. до н. э.) заложили основы концепции атомизма. Однако спор между сторонниками и противниками идеи атомизма продолжался на протяжении многих веков. (Эпикур 341–270 гг. до н. э.) – наделил атомы свойством тяжести; Лукреций Кар (96–55 гг. до н. э.) объясняя природу магнита в своей поэме «О природе вещей» потоком мельчайших атомов, вытекающих из него). Концепция атомизма была влиятельной и в античной культуре. И даже средневековая церковь по своему признавала ее, борясь с атомизмом на протяжении восьми столетий. В эпоху Возрождения античный атомизм получает «второе дыхание». Однако подлинно триумфальным было шествие концепции атомизма в естествознании Нового и Новейшего времени (с начала XVII в. до конца XIX в.). Правда, в классической механике оперировали понятием материальной точки, лишенной размера, в которой сосредоточена вся масса тела. Физики, однако, понимали, что 37

это – абстракция, идеализации, приспособленная к нуждам теоретической физики. Реальным же (т.е. физическим) кирпичиком, из которого построено все мироздание, являются атомы. «Мне представляется, – отмечал И. Ньютон, – что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры и такую форму и такие другие свойства и создал их в таких количествах, как ему нужно было для такой цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютны тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются, не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал нераздельным и целым в первый день творения…..они не изнашиваются». В XIX в. концепция атомизма разрабатывается на почве естествознания и облекается в научную форму. В начале XIX в. для объяснения ранее открытых химических законов и законов идеального газа трудами английского ученого Джона Дальтона (1766–1844 гг.), итальянского ученого Амедео Авогадро (1776–1856 гг.), закладывается представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов. В середине XIX в. проведены различие между атомом и молекулой. В то же время идея атомизма в термодинамике воплощается в форму молекулярнокинетической теории. «Даже когда Солнечная система распадется, на её развалинах возникнут новые миры; атомы, из которых она состоит, останутся целыми и неизношенными». Это высказывание Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879 гг.), относящееся ко второй половине XIX в., созвучно со словами Ньютона. В своей речи, произнесенной на съезде Британской ассоциации в Бредфорде, Максвелл отмечал: «При мысленном делении вещества, следовательно, мы должны в воображении дойти до атома, который, как буквально значит это слово, не может быть разделен пополам, - такова атомистическая картина Демокрита, Эпикура, Лукреция, я могу прибавить, и вашего лектора». В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл закон периодической зависимости свойств химических элементов от их атомного веса. Тем самым концепция атомизма получает не только теоретическое, но и эмпирический обоснование. Правда, поскольку самому Менделееву не удалось в полном объеме объяснить указанную периодичность атомными весами, то он вынужден был допустить существование более точного объяснения этой зависимости. И действительно, позже было найдено электронное, а еще позже – ядерное, или нуклонное, объяснение свойств химических элементов. Открытия в физике конца XIX – начала XX вв. существенно обогатили прежние представления об атомах. 38

В конце 90-х годах XIX в. в результате исследований радиоактивного распада французскими учеными Беккерелем Антуан Анри (1852– 1908 гг.) и супругами Марией (1867–1934 гг.) и Пьером Кюри (1859– 1906 гг.) были получены данные, свидетельствующие о делимости атомов. В 1897 г. английский физик Джозефер Томсон (1856–1940 гг.) открыл электрон, измерил величину его электрического заряда и массу. Продолжая исследования радиоактивного распада, английские ученные – физик Эрнст Резерфорд и химик Ф. Содди в 1902 г. представили радиоактивность как изменение внутренней структуры атомов и превращение одних химических элементов в другие. Сначала предположили, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами, однако в 1932 г. Джеймс Чедвиг обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы – нейтроны, масса которых почти равна масса протона, но которые не заряжены. Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся английским физиком-теоретиком Полем Адриеном Морисом Дираком (1902–1984 гг.) в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена в 1932 г. в составе космических лучей и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образует пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс (процесс рождения), когда фотон, взаимодействия с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. В 1936 г. при исследовании космических лучей были обнаружены частицы, названные мюонами, с положительным и отрицательным знаком заряда (то есть частица и античастица). Мюоны по своим свойствам похожи на электроны и позитроны, но в двести раз тяжелее их. К строению вещества мюоны прямого отношения не имеют и поэтому казались «лишними». В дальнейшем выяснилось, что «лишних» (не имеющих прямого отношения к веществу, подобно мюонам) частиц существует много. В 1947 г. также в космических лучах были обнаружены положительно и отрицательно заряженные π-мезоны. Эти частицы в 280 раз тяжелее электрона. В период с 1949 по 1952 годы открываются заряженные и нейтральные κмезоны с массой, в тысячу раз больше массы электрона, а также некоторые виды гиперонов – частицы разных знаков заряда, несколько тяжелее 39

протонов, К-мезоны и гипероны в совокупности получили название «странных» частиц. С начала 50-х годах ускорители стали главным инструментом исследования элементарных частиц. В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1956 г. – античастица нейтрона (антинейтрон), в 1960 г. – антисигма – гиперон, а 1964 – самый тяжелый гиперон (Ω). В 1960-х годах на ускорителях было получено число крайне неустойчивых частиц, названных резонансами, со временем жизни 10-22 – 10-24 сек. К концу 90- х годов число открытых частиц и античастиц приблизилось к 400. Как соотнести все это большое число микрочастиц с протонами, нейтронами и электронами (из которых непосредственно образовано вещество)? Следует ли все их рассматривать как элементарные образования? Специалисты называют все многообразие частиц «субъядерными частицами» в том смысле, что все они существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной (когда материя была еще плотной и горячей, когда еще не происходило образование ядер атомов), существовали и после образования вещества, существуют и в настоящее время. Открытие большого числа микрочастиц вызвало потребность их классификации. В качестве существенного признака деления был принят вид, или тип взаимодействия – сильные и слабые. Сильное взаимодействие обуславливает очень сильное сцепления нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, а порождаемые им процессы протекают с большой интенсивностью, то есть «сильно». Частицы, обладающие сильным взаимодействием назвали адронами (от древнегреческого «адрос» большой, сильный). Подавляющее большинство субъядерных частиц относят к адронам. Вне этой группы оказываются лишь электроны, мюоны, тау-частицы и все нейтрино. Эти частицы в совокупности назвали летонами (от древнего греческого «лептос» - мелкий, тонкий). Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона равной 1,6 х 10-24 г (для частиц ненулевой массой заметно меньше лишь масса электрона – 0,9 х 10-27 г). Размеры протона, нейтрона, π - мезона и других адронов порядка 10-13 см, а для электрона и мюона размеры неопределенны, но они меньше 10-16см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц подчиняются законам квантовой и волновой механики. Не случайно, поэтому само понятие элементарной частицы связывают с волновыми характеристиками микрочастиц – с их энергией и импульсом. Энергия элементарных частиц определяется как произведение постоянной Планка на длину волны микрочастицы. Элементарная частица – это квант поля, т. е. плоская (возможно сферическая или другой формы) единичная волна. Представить элементар40

ную частицу как бесструктурное дискретное образование, как некую песчинку трудно и даже невозможно. Но и абсолютизировать одну только волновую характеристику элементарных частиц не правомерно, поскольку идея «состоит из ….», выражающая дискретные свойства материи, продолжает служить науке. Подтверждением этого явления стало установление кварков как частиц материи. Идею кварков выдвинули в 1964 г. американские физики-теоретики (Д. Цвейг) (р. 1937 г.) и независимо от него М. Геля-Ман (р. 1929 г.) из теоретических соображений. Кварки трактовались как гипотетические пра – частицы, из которых образовались адроны. Таким образом теория кварков – это теория строения адронов. Термин «кварк» выбран совершенно произвольно. В романе ирландского писателя Джойса Джеймса (1882–1941 гг.) «поминки по Финнегаму» герою снится сон, в котором мечущиеся над бурным морем чайки кричат резкими голосами: «Три кварка для мистера Марка!» Такая произвольность вполне созвучно абстрактно-ненаглядному характеру понятий современных физических теорий. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки несут дробный электрический заряд который составляет либо –1/3 , либо +2/3 заряда электрона.. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Все кварки имеют спин ½. Основоположники теории кварков М. Геля-Ман и Д. Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: и (от ир - верхний); и d (от доwп нижний) и s (от strange - странный). Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы получившие название – мезоны. Например, протон состоит из двух и и одного d - кварка, а нейтрон из двух d - кварков и одного и кварка. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей». Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон «прилипает к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом. 41

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. В 1969 г., удалось получить прямые физические доказательства существования кварков в серии экспериментов по рассеянию (разогнанных до высоких энергией) электронов на протонах. Эксперимент показал, что рассеяние электронов происходило так, как если бы электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (ψ - частицы, и υ - мезон и др). этим был нанесен чувствительный удар первому варианту теории кварков, поскольку в том варианте уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили названия – charm (очарование) или с; b - кварк (от beauty – красота или прелесть); впоследствии (1994 г.) введен еще один аромат – t (от top – верхний). Итак, к настоящему времени открыть 6 кварков u, d, c, s, t, b; a соответствующие им антикварки обозначают теми же буквами, но с чертой над каждой из них. Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т. е. 12 фундаментальных частиц призваны объяснить почти все многообразие микрочастиц, кроме лептонов – это триумф идей атомизма в современной научной форме. Но тогда следует признать, что и лептоны относятся к числу фундаментальных микрочастиц, поскольку они не выводимы из кварков. В таком случае из кварков и антикварков, лептонов и антилептонов должно быть выведено и объяснено все многообразие элементарных частиц. В теории кварков каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов» или цветов, - синего, зеленого, красного, а каждый антикварк может иметь антикрасный, или антисиний, или антизеленый «заряд» сильного взаимодействия. Это – «заряды» основных цветов, но могут быть и не основные цветовые «заряды». При объединении кварков их цвета («заряды» сильного ядерного взаимодействия) соединяются также как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Поэтому тяжелые частицы (протоны и нейтроны) образуются соединением цветов, чтобы в сумме получался белый цвет. Такому простому правилу подчиняются соединения кварков в адронах. Белый цвет получается и от сложения двух цветов – одного из основных и дополнительного к нему, например зеленого и пурпурного. Поэтому более легкие адроны, например мезоны, образуются соединением двух кварков. Из цветовых особенностей зарядов кварков и вытекает особенность, названия теории кварков – квантовой хромодинамикой. 42

Таким образом, 6 кварков, каждый из которых может находится в одном из трех состояний (6×3), в итоге дают 18 типов кварков. Существует столько же типов антикварков [(6×3)×2=36]. Лептоны – тоже бесструктурные образования (как и кварки) и также обладают свойством симметрии: с каждым лептоном сопоставляются антилептон, кроме того, кварки одного поколения сопоставляются с лептонами того же поколения. Тогда общее количество фундаментальных прачастиц определяется суммой всех антикварков и суммой всех лептонов и антилептонов. [лептонов (6×2)=12+кварков(6×3)×2=36;∑=48]. Указанное нарастание бесструктурных прачастиц в количественном отношении пугает отдельных ученых: искали простоты в основе сложного и казалось, что нашли её, но она снова ускользнула от них. Поэтому некоторые физики выдвинули предположение, что даже кварки состоят из более мелких частиц – прекварков. Возможно, что и лептоны построены из прекварков. Может быть, эта последовательность все более мелких строительных блоков матери неисчерпаема, поэтому истинно элементарных частиц не существует? Так рисует положение дел английский астрофизик Пол Девис в книге «Случайная Вселенная», но если, как считает автор, «отвлечься от априотных предложений и держаться данных современной науки, что мы должны признать, что кварки и лептоны являются фундаментальными бесструктурными строительными блоками всего вещества». Далее П. Девис приводит интересное наблюдение, оказывается шесть исходных кварков не равноценны, они отчетливо подразделяются на три пары, которые Девис классифицирует как три поколения кварков. К первому поколению относятся кварки u и d, ко второму- c и s, к третьему- t и b. Оказывается так же, что квантовые параметры всех трех пар (всех поколений) аналогичны. То есть природа почему-то дважды дублирует эти строительные блоки (второе и третье поколение дублируют первое). Дублирование имеет место и между соответствующими парами (поколениями) лептонов. Поэтому для объяснения всего вещества Вселенной достаточно только первой пары кварков (u и d) и первой пары лептонов (электрона ē и нейтронного нейтрино νē). Дело в том, что кварки второго и третьего поколений последовательно тяжелее предыдущих, т.е кварки первого поколения самые легкие, энергетически выгодные для природы. Время существования микрочастиц, образованных из кварков второго и третьего поколений, очень мало, и они быстро превращаются в частицы, образованные из кварков первого поколения. Только микрочастицы, образованные из кварков первого поколения (u и d) и лептонов первого поколения (ē и νē), оказываются стабильными. Еще нужно учесть античастицы этих двух кварков и двух лептонов. Таким образом, из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить все вещество Вселенной. 43

Это значит, что квантовая и волновая механика необычно развила идеи атомизма и естественнонаучного атомизма, нового и новейшего времени включает в себя их положительное содержание. Поэтому в современной форме атомизма сфокусирована в сжатом виде богатая научная информации. Образно и эмоционально эту мысль выразил известный американский физик-теоретик Ричард Филипс Фейнман (1918–1988 гг.) в начале чтения своего оригинального курса физики в начале 60-х г. в Калифорнийском технологическом институте (США): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет: все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения» До сих пор мы акцентировали внимание на преемственности в развитии идей атомизма от древности до наших дней. Отметим имеющиеся различия. Между античной и естественнонаучной (XVII–XIX века) формами атомизма различия в основном терминологические. Но зато между современной и двумя предыдущими формами разница необычайно существенно, если прежде материя представлялась косной, поскольку она сводилась к неизменной массе, что в квантовой и волновой механике от этого не осталось и следа. По современным представлениям материальные объекты подвижны, изменчивы и превращаются из одних форм в другие. Так, электрон и позитрон, обладающий вещественной массой, при взаимодействии аннигилируют, превращаясь в излучения, фотоны, которые как бы не имеют вещественной массы. Однако взаимодействие фотонов снова рождает пару электрон – позитрон, которые опять таки обладают определенной массой. Каждая элементарная частица окружена квантами соответствующего поля и существенно зависит от их влияния. В этом смысле можно сказать, что «вся» (каждая частица) зависит от «всего» (от всех других частиц). Современная физика показывает, что природа глубоко диалектична. В настоящее время свести материю к прерывному или непрерывному, к вещественной или не вещественной массе, к изменчивости или устойчивости – значит вступить в противоречия не только с современной физикой но и с диалектикой потому что материя и прерывна и непрерывна и вещественна и не вещественна и количественна. 44

Современная наука подняла идею атомизма на небывалую высоту. Оказывается, что исходя всего лишь из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить обычное вещество всей Вселенной! О такой сильной форме атомизма прежние мыслители и естествоиспытатели не могли и мечтать. Вместе с тем трактовка материи в современной форме атомизма придает современной естественнонаучной картине мира относительную завершенность. Контрольные вопросы 1. На основании каких экспериментов был сделан вывод о делимости атомов? 2. Кем и когда был открыт электрон? 3. Когда и кем были обнаружены нейтрон и позитрон? 4. Кем и когда была предложена теория электрона? 5. На какие частицы по свойствам похожи мюоны и чем они от них отличаются? 6. Расскажите о свойствах пи-мезонов? 7. Какие элементарные частицы были открыты в период с 1949 по 1952 гг., в 1955 г., 1956 г., 1960 г.,1964 г.? 8. Как называются частицы, обладающие сильным взаимодействием; слабым взаимодействием? 9. Кем и в каком году была выдвинута идея о существовании гипотетических частиц – кварков? 10. Перечислите все известные в настоящее время кварки, и какой заряд они несут. 19. Фундаментальные физические взаимодействия. Частицы – переносчики взаимодействия. В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие часто катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводящие к гибели цивилизаций и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырём фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счёте отвечают за изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырёх фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отли45

чия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики. 20. Гравитация. Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволил осознать истинную роль гравитации как силы природы. 28 апреля 1686 г. Ньютон представил Лондонскому Королевскому Обществу механику земных и небесных процессов. Это одна из величайших дат в истории человечества! Гравитация обладает рядом особенностей отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью является малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше сил взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступный наблюдению части Вселенной. Все дело во второй удивительной черте гравитации – ее универсальности. Ничто во Вселенной не сможет избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие, и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скопления вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию, потому что все атомы земли сообща притягивают нас, зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты гравитации пока не доступны наблюдению. Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационные взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части, она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивания еще никогда не наблюдались. Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация – поиск «фактов» антигравитации. 46

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация – неким полем, искривлением пространства – времени или тем и другим вместе. На этот счет существует разные мнения и концепции. В одной из них высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля – гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но этим сходство между гравитонами и фотонами исчерпывается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2. Это важное различие определяет направление силы. При электромагнитном взаимодействии одноименнозаряженные частицы (электроны) отталкиваются, а при гравитационном – все частицы притягиваются друг к другу. Поскольку гравитационные взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляются, что непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока не удалось, поэтому нет завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия. 21. Электромагнетизм По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и другие). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в XIХ веке Максвелл, объединив электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма – в первой единой теории поля. Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами – северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой – как южный. Еще с древнейших времен известны попытки, получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс – монопóль. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два но47

вых магнита, каждый из которых имел и северный и южный полюсы. Может быть, существование изолированных полюсов в природе исключено? Определенного ответа нет. Некоторые современные теории допускают возможность существования монопóля. Электрические и магнитные силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы; силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяется агрегатные состояния вещества, оптические явления и др. Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Теория электромагнитного взаимодействия представлена квантовой электродинамикой. 22. Слабое взаимодействие Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием β - распада. Исследования проводил Э. Резерфорд: он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые назвал α - и β частицами. α - ядра гелия, а β - частицы – быстро летящие электроны. У β - распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при β - распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостаточную энергию, еще одна частица. Она – нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Итальянский физик, один из создателей ядерной и нейтронной физики, лауреат Нобелевской Премии (1938 г.) Э. Ферми (1901–1954 гг.), назвал частицу – невидимку «нейтрино». Но предсказание нейтрино – это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались 48

нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существует в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных, субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. ХХ в. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. В 1983 г. открыты переносчики слабого взаимодействия, три частицы – W+, W-, Z0 – бозоны. Это частицы с большой массой покоя, поскольку радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должен быть чрезвычайно коротким – всего лишь около 10-26сек. 23. Сильное взаимодействие Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструирована и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им 49

разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это объяснить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг. ХХ в., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой – малого радиуса (сильное и слабое). Миф физических процессов развертывается в границах двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого – близкодействия в микромире и дальнодействию во всей Вселенной. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны. Глюоны – переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками. Контрольные вопросы 1. Какие четыре фундаментальных взаимодействия в природе вы знаете? 2. Какие особенности присущи гравитации и какие частицы являются её переносчиками? 3. Чем электромагнитное взаимодействие отличается от гравитационного? 4. Какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия и когда они были открыты? 5. На каком расстоянии проявляется сильное взаимодействие и какая частица является его переносчиком? 50

24. Развитие представлений о пространстве и времени. Во второй половине XIX в. физики все чаще анализируют фундаментальные основания классической механики. Прежде всего, это касается понятий пространства и времени, их ньютоновской трактовки. Предпринимаются попытки придать понятию абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета нового содержания взамен старого, которое им предал еще Ньютон. Так в 70-е гг. XIX в. было введено понятие α - тела как такого тела во Вселенной, которое можно считать неподвижным и принять за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за α - тело центр тяжести всех тел во Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном покое. Вместе с тем рядом физиков высказывалось и противоположное мнение, что само понятие прямолинейного абсолютного и равномерного движения как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого научного содержания, как и понятие абсолютной системы отсчета. Вместо понятия абсолютной системы отсчета они предлагали более общее понятие инерциальной системы отсчета (координаты) не связанное с понятием абсолютного пространства. Из этого следовало, что понятие абсолютной системы координат также становится бессодержательным. Иначе говоря все системы, связанные со свободными телами, не находящиеся под влиянием каких-либо других тел, равноправны. Инерциальные системы – это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществлялся в соответствии с преобразованиями Галилея. Именно преобразования Галилея характеризуют в классической механике закономерности перехода от одной системы отсчета к другой. Если система отсчета Х1О1Y1 (Рис. 1) движется прямолинейно и равномерно со скоростью υ относительно системы отсчета XOY в течение времени t, то ОО1 = υ.t, а координаты точки Р в этих системах отсчета связаны между собой следующими соотношениями: X1=X- υ.t; Y1=Y; t1=t Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися в обоснования. Они замечательны тем, что предъявляют определенное требование формулировке закона механического движения: эти законы должны быть сформулированы так, чтобы оставались инвариантными (т. е. неизмененными в любой инерциальной системе отсчета). 51

Развивая идею Галилея о системе отсчёта объектов (движущихся или покоящихся) Рене Декарт дает большую степень отточенности этому понятию: он ввел формализованную (идеализированную) систему прямоугольных пространственных координат, названную его именем – декартовая система координат. И хотя до сих пор системой отсчета могут называться реальные объекты, но при этом всегда подразумевается отнесенность объекта в декартовой системе координат. Благодаря декартовой системе координат галилеевский принцип относительности движения, а также понятие галилеевых преобразования получили более четкое точное выражение. Теперь, галилеевы преобразования можно представлять как взаимное проецирование не самых физических объектов, а декартовых систем координат, к которым отнесены объекты. Пусть некоторое тело А отнесено к декартовой системе, координаты которой обозначены без штрихов (например, X, Y, Z), а нам нужно определить параметры тела в параллельной координатной системе со штрихами. Для простоты будем определять параметры одной точки тела и совместим координатную ось X1 c ось Х. Примем также, что координатная система со штрихами покоится, а без штрихов – движется равномерно и прямолинейно. Тогда правила галилеевых преобразований (т. е. перехода от одной системы отсчета к другой) примет вид: В отличие от Галилея и Декарта Ньютон изучал движение в X1=X- υ.t; общем виде, поэтому пространство и время (как условие Y1=Y; движения) он брал в предельно общем виде. С этой целью t1=t он выдвину два крайне абстрактных понятия – «абсолют1 ное пространство» и «абсолютное время». Z =Z По Ньютону, пространство это абсолютное, неподвижное, однородное, изотропное, бесконечное вместилище всех тел (т.е. пустота). А время – это чистая, однородная, равномерная и непрерывная длительность процессов. Поскольку пространство абсолютно и мыслится в отрыве от движущейся материи как пустота, то оно ни от чего не зависит и всюду одинаково. Поэтому любая его фиксированная точка может стать точкой отсчета для определения абсолютного движения. Нужно лишь сверить свои часы с абсолютным временем, которое опять таки не зависит ни от каких материальных процессов, а также и от пространства. Абсолютность времени выражается его одинаковостью во всех точках Вселенной. 52

Из разрозненности и абсолютности пространства и времени вытекают правила галилеевых преобразований. Из оторванности движущихся тел от пространства и времени вытекает правило сложения скоростей в классической механике: оно состоит в простом сложении или вычитании скоростей двух тел, движущихся относительно друг друга. Если, например, в движущемся вагоне пассажир идет в направлении движения поезда, то скорость движения пассажира и вагона нужно суммировать, чтобы получить скорость движения пассажира относительно железнодорожного полотна. Складывать можно любые, в том числе сколь угодно большие скорости. Отсюда вытекает связь механистической картины мира (МКМ) с принципом дальнодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться в пустом пространстве со сколь угодно большой скоростью. В XIX столетии МКМ продолжала оставаться господствующей, но это не значит, что небо над ней было безоблачным. Тучи критики стали сгущаться уже в середине столетия. Вторая половина XIX в. характеризуется оживленной дискуссией о фундаментальных понятиях классической физики– силе, масс, инерции, действии и противодействии, пространстве и времени. Еще в начале XIX в. Сади Карно (1796–1832 гг.) обратил внимание на оккультную и метафизическую природу ньютоновской силы. В 1876 г. Густав Кирхгоф определял силу чисто аналитически через понятия пространства, времени, массы. Французский математик и философ Анри Пуанкаре (1854–1912 гг.) отмечал критически тот факт, что механика Ньютона помещает относительное движение в абсолютное пространство и время, что внутренне противоречиво и является чистой условностью. В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновской представление об абсолютном пространстве выступил немецких физик и философ Эрнст Мах (1838–1916 гг.). В основе представлений Маха лежало убеждение в том, что «движение может быть равномерным относительно другого движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе, не имеет никакого смысла. Это представление Мах переносит не только на скорость, но и на ускорение. В ньютоновской механике ускорение (в отличие от скорости) рассматривалось как абсолютная величина: для того чтобы судить об ускорении достаточно самого тела, испытывающего ускорение. Иначе говоря, ускорение – величина абсолютная и может рассматриваться относительно абсолютного пространства, а не относительно других тел. Этот вывод и оспаривал Мах. Ньютон аргументировал это положение примером с вращающимся ведром, в которое налита вода. Этот опыт показывал, что движение воды относительно ведра не вызывает центробежных сил и можно го53

ворить о его вращении само по себе, без относительно другим телам, т.е. остается лишь отношение к абсолютному пространству. Он обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которого в теорию должны вводиться только величины, непосредственно выводимые из опыта. Несмотря на субъективно-идеалистический подход к проблеме относительности движения, в соображениях Маха были интересные идеи, которые способствовали появлению общей теории относительности. Речь идет о так называемом принципе Маха, согласно которому инерциальные силы следует рассматривать как действие общей массы Вселенной. Этот принцип в последствии оказал значительное влияние на А. Эйнштейна. Рациональное зерно принципа Маха состояла в том, что свойства пространства – времени обусловлены гравитирующей материи. К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Дело все в том, что пространственно-временные представления классической физики полностью согласуются с тем, как они описываются геометрией Евклида. Поэтому критика евклидовой геометрии является косвенной критикой классической механики. В первой половине XIX в. отечественной математик Н. И. Лобачевский (1792–1856 гг.), критически осмысливая процедуру построения геометрии Евклида, нашел возможным создать иную (неевклидову) геометрию, построение которой реализуется на поверхности отрицательной кривизны типа седловидной. Позже немецкий математик Берн Хард Риман (1826–1866 гг.) разработал еще одну неевклидову геометрию, построения которой реализуются на поверхности положительной кривизны типа сферической. Эти геометрии также вступали в противоречие с пространственно-временными представлениями классической физики, но поскольку Лобачевский и Риман не могли указать физических объектов, которым бы соответствовали их теории, то они фактически не опровергали абсолютного пространства и времени Ньютона. В 70-е гг. XIX в. английский математик Вильям Клиффорд (1845– 1879 гг.) высказывает идею о том, что многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем, а физику можно представить как некоторую геометрию. Клиффорд предложил нечто вроде полевой теории материи, в которой материальные частицы представляют собой сильно искривленные области пространства, а « изменение кривизны пространства и есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи, будь она весомая или эфирная». Вследствие искривления пространства действительная геометрия мира подобна «холмам» 54

на равной местности, а перемещение частиц материи есть ничто иное, как перемещаемые «холма» от одной точки к другой. Клиффорд принадлежит к ряду немногочисленных в XIX в. провозвестников Эйнштейновской теории гравитации. Контрольные вопросы 1. Что называется инерциональными системами? 2. В чём суть преобразований Галилея и что нового внёс в них Декарт? 3. Какое требование к формулировке законов механического движения предъявляют преобразования Галилея? 4. Как трактовались Ньютоном «абсолютное пространство» и «абсолютное время»? 5. Какие учёные выступали с критикой механики Ньютона? 6. Что означает принцип дальнодействия? 7. Какое положение механики Ньютона подвергал сомнению Мах? 8. В чём суть принципа Маха? 9. В чём отличие геометрий Лобачевского и Римана от геометрии Евклида? 10. В чём суть идеи Клиффорда? 25. Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности (СТО). Созданная Максвеллом электромагнитная теория также выходила за рамки МКМ, поскольку не укладывалась в них. С одной стороны, эта теория была выдающимся достижением, которым открывались новые возможности в развитии физики, но с другой в ней проглядывались противоречия теоретического и логического характера. Теории электромагнитного поля Максвелла были присущи два недостатка. 1. Она не совмещалась с принципом относительности движения классической физики, поскольку ее уравнения оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Это был существенным изъян, поскольку вся практика подтверждала и подтверждает этот принцип, и никакая теория не опровергает его. 2. Полевая картина физической реальности Максвелла оказалась теоретически неполной и логически противоречивой, т.к. трактовка электрического поля и электрически заряженных частиц, не были увязаны. Следовательно, они должны рассматриваться на основе классической механики как материальные точки, расположенные в пространстве дискретно, что противоречит понятию поля. Последовательная теория поля требует непрерывности всех элементов теории. Рассмотрим первый недостаток. Анализ показал, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно галилеевых преобразований. 55

Это значит, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой форма уравнений оказывалась разной. Это равносильно тому, что в разных системах отсчета один и тот же физический процесс осуществлялся по разным законам, что противоречит науке. Попытку уберечь теорию Максвелла от этого недостатка первым предпринял в 1890 году немецкий физик Генрих Герц (1857–1894 гг.), который искусственно подобрал систему уравнений, инвариантных относительно галилеевых преобразований, которые в частном случае покоящегося тела обращаются в уравнения Максвелла. Однако уравнения Герца противоречили опытно установленному постоянству скорости света (300000 км/с). Еще один вариант переработки уравнений Максвелла предпринял голландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц (1853–1928 гг.), но его уравнения оказались неинвариантными относительно галилеевых преобразований. Тогда Лоренц предпринимает обратный ход: решил сами правила галилеевых преобразований видоизменить (проще говоря, подогнать) так чтобы относительно этих правил уравнения Максвелла оказались инвариантными. Эйнштейн отмечал: теория Максвелла хотя и правильно описывает поведение электрически заряженных частиц, но не даёт теории этих частиц. Лоренцовы преобразования – это новые (отличные от Галилеевых) правила перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Для одной точки в декартовой системе координат без штрихов при переходе к системе отсчёта со штрихами лоренцовы преобразования устанавливают следующие правила: X′ = X

υ ⋅t

−

1−

υ2

;

c2

y ′ = y; z ′ = z; t′ = t −

υ ⋅x c2

1−

υ2

;

c2

Как видим отличие правил лоренцовых преобразований от галилеевых существенно. Это отличие станет еще более зримым, если определять не координату материальной точки, а размер макроскопического тела, например, жесткого стержня длиной L. Такой стержень имеет начальную и конечную точки на оси Х1, Х. Определив координаты этих точек и вычитая из координат с большим значением координату с меньшим зна56

чением, получим математическое выражение для длины и для времени движущегося стержня:

L = L0 ⋅ 1 − υc 2 ; 2

(1)

t = t 0 ⋅ 1 − υc 2 ; 2

Здесь: L- длина движущегося стержня, L0- длина покоящегося стержня, υ-скорость движения стержня, t-время движущегося стержня, сскорость света в пустоте. Рассмотрим соотношения (1) и (2) сначала формально. При малых значениях величины υ, по сравнению со скоростью света, значение дроби и подкоренное выражение можно пренебречь. Тогда L=L0 и t=t0 что равносильно возврату от лоренцовых преобразований к галилеевым. Если же значения величины υ достаточно большие (сравнимые со скоростью света) то значением подкоренного выражения нельзя пренебречь и оно будет уменьшаться. Соответственно этому значению величины L будет уменьшаться, а значение величины t возрастать. В таком случае с ростом скорости движения (υ) различия между преобразованиями Лоренца и Галилея будут нарастать. Итак, Лоренц искусственно получил новые правила перехода от одной инерциальной системы к другой. При этом уравнения Максвелла оказываются инвариантными в любых инерциальных системах отсчета. Однако неизвестной остается реальность самих преобразованиях Лоренца: имеют они физический смысл или нет? Поскольку эти правила получены искусственно, то сам Лоренц отказывался предавать им физический смысл. Над ним довлели представления классической физике о неизменности пространства и времени. Иначе подошел к этому вопросу Альберт Эйнштейн (1879–1955 гг.) – физик-теоретик один из основателей современной физики лауреат Нобелевской премии (1921 г.). За фактом хорошей согласованности Лоренцовых преобразованиях с теорией Максвелла, он угадал реальный физический смысл самих преобразований. Для этого он предпринял попытку дедуктивного построения теории, которая бы наполнила преобразования Лоренца физическим смыслом. Иначе говоря, он задался целью углубить понимание принципа относительности путем его развертывания в теорию относительности. В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der phisik» появилась работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которая объясняла смысл преобразований Лоренца и кроме того, содержало новый взгляд на пространство и время. 57

Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий в принципиальных основах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимо сохранить два первых утверждения (принцип постоянства скорости света и принцип относительности), но отказаться от преобразования Галилея. Эйнштейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроется определенное представление о пространственно-временных соотношениях, которое не соответствует физическому опыту, реальным свойствам пространства и времени. Слабым звеном принципиальных оснований классической механики оказалось представление об абсолютной одноврéменности событий. Классическая механика пользовалась им, не сознавая его сложной природы. До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел», которые впервые были изложены основы теории относительности, Эйнштейн около 10 лет размышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т. е. к выводу, что в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Кроме того, Эйнштейн был убежден в инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще 1896 г. у него «возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!». Таким образом, Эйнштейн еще в молодости пришел к принципу, согласно которому скорость распространения световой волны одинаково во всех инерциальных системах. Одновременное действие этих двух принципов кажется невозможным. Налицо теоретический парадокс из данного парадокса он находит выход, анализируя понятие одновременности. Анализ подводят его к выводу об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключается суть всей теории относительности, выводы которой в свою очередь, приводит к необходимости пересмотра понятий пространства и времени – основополагающих понятий всего естествознания. В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал неверность такого представления. Он начинает с анализа вопроса, каким образом можно установить одновременность двух событий, происходящих в разных точках пространства. Для этого, он делает вывод, нужно иметь в этих точках часы, причем эти часы должны быть одинаково устроены и идти синхронно. Но как узнать, что двое часов, помещенных в различных местах пространства, идут синхрон58

но; или, что-то же самое, как узнать что два события в различных точках пространства, скажем на Земле и Луне, происходит одновременно? Для достижения синхронности можно воспользоваться световыми сигналами. Допустим, что в удаленных друг от друга точках пространства А и В имеются одинаковые часы, и часы в точке А показывают время tA, когда из этой точки выходит световой луч в направлении точки В. допустим что этот луч достигает точки В, когда часы в ней показывают tB и затем движется обратно к точке А, куда приходит в момент времени t1A по часам, помещенным в этой точке. Будем считать, что часы в точках А и В идут синхронно, если всегда выполняют соотношение:

t B − t A = t 1A − t 1 События в точках А и В будут одновременными, если часы в этих точках показывают для них одно и то же время. Такое определение одновременности кажется вполне логичным, если принять условие что свет распространяется с одинаковой скоростью и во всех направлениях. Но оказывается, что если ввести такое определение одновременности, то вследствие конечности скорости распространения света это понятие становится относительным, поскольку события в одной «покоящейся» системе не будут одновременными в любой другой системе, движущейся относительно первой. К этому выводу приводит простой логический анализ. Допустим, что в точках А и В, расположенных друг от друга на расстоянии S находятся неподвижные синхронизированные часы. Пусть наблюдатель, двигающийся относительно часов с постоянной скоростью υ в направлении АВ, захочет проверить синхронность хода часов. Он должен считать время движения сигнала от А до В равным:

tB − t A =

S c −υ

а промежуток времени движения сигнала в обратном направлении

t A − tB =

S c +υ

Но принцип постоянства скорости света предполагает, что скорость света относительно движущегося наблюдателя неизменна и равна c. Значит не существуют способы установления синхронности часов; часы, синхронно для покоящегося наблюдателя перестают быть синхронными, когда он движется по отношению к системе, в которой покоятся часы. Следовательно понятие одновременности относительное. События, которые являются одновременными для одного наблюдателя, не одновременны для другого наблюдателя, движущегося относительно первого. Из нового понимания одновременности, осознания его относительности следует совершенно революционные выводы о закономерностях 59

пространственно-временных отношений вещей. Прежде всего, необходимость признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако то, что одновременно для неподвижного наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна. На следующем этапе становления СТО этим общим идейным рассуждением Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразования координат и времени – преобразования Лоренца. Но у Эйнштейна эти преобразования имеют иной смысл: одно и тоже тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимися с различной скоростью часами. В СТО размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсчета, с помощью которой проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные величины, например, скорость, траектория и т.п. Эйнштейн делает вывод о необходимости изменения пространственно-временных представлений, выработанных классической физикой. Кроме формул преобразований координат и времени, Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в ней энергии» в соотношении

E = m ⋅ c2 В классической механике массу рассматривают как постоянную величину – это релятивистская масса покоя. В СТО массу считает переменной величиной, зависящей от скорости движения:

m = m0 ⋅ 1 − υc 2

2

,

это изменение массы можно обнаружить лишь при больших скоростях, например, при движении электронов вокруг ядра атома, что и было, затем установлено экспериментально. После опубликования СТО Эйнштейн из зависимости массы от скорости движения математическим путем получил новое следствие – вывод о равенстве инертной и весовой массы. 60

Позже он дал этому наглядное пояснение. Предположим, что в коробке лежит несколько шариков из какого-либо вещества. Если к коробке приложить действующую силу, то она получит ускорение, зависящее от величины массы покоя этих шариков. Теперь предположим, что шарики в коробке движутся с большими скоростями, близкими к скорости света. Тогда в соответствии с

m = m0 ⋅ 1 − υc2

2

их масса неимоверно возрастает и станет очень большой. Поэтому если бы теперь мы снова приложили к коробке эту же силу, что и в первом случае, то увидели бы, что коробка даже не сдвинется с места. Следовательно, кинетическая энергия шариков, подобно весовой массе, оказывает сопротивление движению. Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в уже упомянутой статье «К электродинамикедвижущихся тел» пишет. «Суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами». В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе, можно только дать его описание его отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер процесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания. Контрольные вопросы 1. Какие недостатки, с точки зрения механистической картины мира, были присущи теории электромагнитной индукции Максвелла? 2. Какие два учёных предприняли попытки уберечь теорию Максвелла от недостатков и в чём суть этих попыток? 3. Что нового внёс Лоренц в правила перехода от одной системы отсчёта к другой, по сравнению с Галилеем и Декартом? 4. Что являлось недостатком правил Лоренца – перехода от одной инерциальной системы к другой? 5. Какие цели поставил перед собой А.Эйнштейн, приступая к разработке СТО? 6. Какие два принципа положил Эйнштейн в основы построения СТО и что в классической механики, по его мнению, было слабым звеном? 61

7. В какой работе Эйнштейн сформулировал основные положения СТО? 8. Что содержали и что объясняли положения СТО Эйнштейна? 9. Какие принципы сохранил Эйнштейн при разработке СТО и какое положение классической механики было слабым звеном в понятиях «пространство – время»? 10. Что нужно иметь и чем можно воспользоваться для установления одновременности двух событий, например на Земле и Луне? 11. Какие выводы следуют из нового понимания одновременности по Эйнштейну? 12. Какой вывод делает Эйнштейн на основании СТО относительно массы тела? 13. Какое соотношение существует между полной энергией и массой тела? 14. Чем отличается СТО от классической механики в физическом описании релятивистских явлений? 26. Создание и развитие общей теории относительности (ОТО) Классическая механика и СТО формулируют закономерности физический явлений только для некоторого достаточно узкого класса инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемой применительно к принципу относительности: «можем ли мы сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливы для всех систем координат, не только для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу? Если это можно сделать, то …тогда мы будем в состояние применять законы природы в любой системе координат». Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, что в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание ОТО. Это означает, что точно так же, как нельзя говорить о скорости тела вообще безотносительно к какому-либо телу, так очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его. До Эйнштейна существовали две точки зрения на причины, порождающие инерциальные силы в ускоренных системах. Ньютон считал, что 62

таким фактором является абсолютное пространство, а Мах – действием общей массы Вселенной. Эйнштейн пошел по иному пути – распространил принцип эквивалентности сил инерции и сил тяготения (инертной и гравитационной масс) на оптические явления. Существует два различных и независимых способа определения массы тела: 1) через ускорение, которое вызывает любая действующая на тело сила (инертная масса); 2) через притяжение в поле тяготения (гравитационная масса – вес тела). Независимость инертной и гравитационной масс и их эквивалентность была известна в классической механике и выражалась через закон пропорциональности веса и массы P =g m Еще Галилей в своих опытах на «падающей башне» в Пизе установил, что все тела на Земле, если не учитывать сопротивления воздуха, падают с одним и тем же ускорением. А Ньютон обратил внимание на то, что периоды колебаний маятника зависят не от массы шара, а от длины нити, на который он подвешен. В 1890 г. венгерский физик Лоранд Этвеш (1848–1919 гг.) подтвердил факт эквивалентности инертной и гравитационной масс с высокой точностью (до 10-9 г, сейчас эта точность повышена до 10-12 г). После открытия зависимости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты) вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тел и состояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Нужно было разобраться в вопросе, изменяются ли гравитационные свойства тел, если их инерционные свойства зависят от состояния движения. В этих условиях одни физики высказывали мнение, что отношение массы тела к его весу нельзя считать постоянным, а другие считали, что гравитационная и инертная массы всегда равны и имеют одну и ту же природу. Но так как согласно теории относительности энергия обладает инерцией, то она должна обладать и тяжестью. Эйнштейн также обращается к той проблематике и задумывается над тем, не обладает ли инерция также тяжелой (гравитационной) массой, и уже в 1911 г. приходит к новым идеям, которые затем легли в основу ОТО. В центре его размышлений оказался вопрос: можно ли оценивать движение равноускоренной системы S1 по отношению к инерциальной системе S как пребывание в относительном покое? Теоретический анализ подводит его к выводу, что две системы отсчета, одна из которых движется ускоренно, а другая хотя и покоится, но в ней действует однородное поле тяготения, в отношении механических явлений эквивалентны и 63

неразличимы. Иначе говоря, физика не знает средств, которые могли бы отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Это утверждение Эйнштейн иллюстрирует примером: наблюдатель, находящейся в закрытом лифте, не может определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем тяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможным распространить на оптические и вообще любые физические явления. Этот расширенный принцип эквивалентность и был заложен им в основу ОТО. Построение ОТО он завершил в 1916 г. при этом он использовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий. Мысленные эксперименты убедительно показывали, что релятивистская физика не может основываться на евклидовой геометрии А. Эйнштейн вводит представление о том, что метрика пространства – времени обусловлена гравитационным полем, которое в свою очередь создано вещественными образованиями: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира». Эйнштейн исходил из того, пространственно-временные параметры носят риманов характер. А римановым (в узком смысле) называется пространство положительной кривизны. Его наглядный образ – поверхность обычной сферы. Это значит, что движение частицы в гравитационном поле определяться кратчайшей мировой линией, которая не является кратчайшей. Итак с точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой) кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. Можно сказать: поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального евклидова пространства. Величина поля тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. Таким образом движение материальной точки в поле тяготения можно рассматривать как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Для определения кривизны пространства необходимо знать выражение для компонента фундаментального тензора (аналога потенциала в ньютоновской теории тяготения). Задача заключается в том, чтобы, зная распределения тяготеющих масс в пространстве, определить функции координат и времени (компонент фундаментального тензора); тогда можно записать уравнение геодезической линии и решить проблему движения материальной точки, проблему распространения светового луча и т.д. Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в 64

классическом приближении переходило в закон тяготения в общем виде. Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют собой систему 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины – плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса. Кардинальное отличие ОТО от предшествующих ей фундаментальных физических теорий в отказе от ряда старых понятий и формулировки новых. Так ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система», «евклидов характер пространства – времени» и др. в ОТО используются не жесткие (деформирующиеся) тела отсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел, и ход часов зависит от состояния этих полей. Такая система отсчета может двигаться произвольным образом, и ее форма может изменятся у используемых часов может быть сколь угодно нерегулярный ход. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства – времени, допускает возможность гравитационных волн (хотя до сих пор их экспериментально обнаружить не удалось). В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн усилено занимался поисками «единой теории поля», которая бы объединила теорию тяготения и теорию электромагнитного поля. С точки зрения Эйнштейна, реализация этой задачи позволила бы свойства вещества вывести из представлений о свойствах поля, «рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно», и объяснить существование элементарных частиц. Однако, несмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство, ему не удалось этого достигнуть. К середине XX в. стало ясно, что работа в этом направлении должна осуществляться с учетом существования не двух (гравитационное и электромагнитное), а четырех типов фундаментальных взаимодействий. Контрольные вопросы 1. Какую основную идею пытался реализовать Эйнштейн, работая над созданием ОТО? 2. В чем видел Эйнштейн возможность реализации идеи применять законы природы в любой системе координат? 3. Через какой закон выражалась независимость инертной и гравитационных масс в классической механике? 4. В каком году Эйнштейн завершил построение ОТО? 5. Какой принцип был заложен Эйнштейном в основу ОТО? 6. На какой геометрии пространственно-временных параметров основывался Эйнштейн при разработке ОТО? 65

7. Систему из скольких уравнений содержит общее уравнение гравитационного поля в ОТО? 8. От каких старых физических понятий отказался Эйнштейн при разработке ОТО? 27. Экспериментальная проверка ОТО. Первый успех ОТО, который стал фундаментом для выявления новых и объяснения известных общих свойств и закономерностей Вселенной, заключался в объяснении открытой еще в 1859 г. (и непонятной точке зрения классической теории) дополнительной скорости движения перигелия Меркурия (около 43″ в столетие) под влиянием гравитационного поля Солнца. Прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца. В соответствии с ОТО в результате действия поля тяготения движение материальной точки, также как и распространение светового луча, уже не является равномерным и прямолинейным. Распространение выводов ОТО на оптические явления приводит к ряду необычных следствий – явлению красного смещения спектров звезд и отклонению светового луча под действием этого поля. Так в ОТО был получен новый фундаментальный результат: скорость света уже не является постоянной величиной, она изменяется, когда свет проходит поле тяготения, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от взаимного направления распространения света и направления сил тяготения. Отсюда, в частности, следует, что луч света, проходя мимо тела, обладающего сильным полем тяготения должен искривляться, если его направление не совпадает с направлением силы тяготения. Этот эффект может быть обнаружен при наблюдении солнечного затмения. Если сравнить положение группы звезд, находящихся на небесной сфере в близи Солнца, во время его затмения, с положением этой же группы звезд ночью, то, согласно ОТО, в первом случае световые лучи от этих звезд, проходя около поверхности Солнца, должны искривляться в его гравитационном поле, следовательно, будут наблюдаться смещенными относительно их обычного положения на небесной сфере. Большое значение для широкого признания ОТО имели опыты по измерению отклонения лучей света, проходящих около Солнца. Первая немецкая экспедиция по проверке данного эффекта была направлена уже в 1914 г. на территорию России, но в связи с началом первой мировой войны была интернирована. Затмение 29 мая 1919 г. представляла собой особенно благоприятный случай, когда в поле наблюдений оказывалось большое число ярких звезд, и потому в Великобритании были сформированы две экспедиции: одна направилась в Бразилию, а другая на один из островов, расположенных возле африканского материка. Результаты экспедиции оставляют мало сомнения в том, что луч света отклоняется в бли66

зи Солнца и что отклонение, если приписать его действию гравитационного поля Солнца, по величине соответствует требованиям ОТО Эйнштейна. Другой результат, полученный в теории Эйнштейна, – наличия красного смещения в спектрах небесных тел – был подтвержден рядом опытов 1923–1926 гг. при наблюдении спектра Солнца и обладающего чрезвычайно большим полем тяготения спутника Сириуса. Долгое время экспериментальных подтверждений ОТО было мало: изменения орбиты Меркурия, красное смещение в спектрах звезд, искривление лучей света в близи Солнца обусловленное кривизной пространства. Согласие теории с опытом достаточно хорошее, но чистота экспериментов нарушается различными сложными побочными влияниями. Однако влияние искривления пространства – времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Очень чувствительные часы, например, могут обнаружить замедление времени на поверхности земли. Чтобы расширить экспериментальную базу ОТО, во второй половине 20-го в были поставлены новые эксперименты: проверялась эквивалентность инертной и гравитационной масс (в том числе и путем лазерной локации Луны): с помощью радиолокации уточнялось движение перигелия Меркурия, измерялось гравитационное отклонение радиоволн Солнцем, проводилась радиолокация планет Солнечной Системе; оценивалось влияние гравитационного поля солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые отправлялись к дальним планетам солнечной системе. Все они так или иначе подтвердили предсказания, полученные на основе ОТО. В физике XX в. ОТО сыграло особую и своеобразную роль. Во-первых, она представляет собой теорию тяготения, хотя, возможно, и не вполне завершена и не лишена некоторых недостатков. Трудность состоит в том, что гравитация – это вид энергии и поэтому она сама является собственным источником энергии; гравитация как физическое поле сама обладает (как, например, и электромагнетизм) энергией и импульсом, а значит, и массой. Следовательно, уравнения теории не линейны, т.е. нельзя просто сложить известные решения для простых систем, чтобы получилось полное решение для сложной системы. С этим связаны, например, трудности в интерпретации содержания тензора энергии – импульса. Математических аппарат теории настолько сложен, что почти все задачи, кроме самих простейших, оказываются неразрешимыми. Изза таких трудностей ученые до сих пор – спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, – все еще пытаются разобраться в ее смысле. Вполне закономерно, что физики продолжали попытки создания альтернативных теорий тяготения. Их создано уже более 20-ти, однако все эти теории не предсказывают новых экспериментов и потому их эвристическое значение практически равно нулю. 67

Во-вторых на основе ОТО были развиты два фундаментальных направления современной физики: геометризированные единицы теории поля; релятивистская космология. Здесь сложились две противоположные точки зрения о физике: 1) поля и частицы непосредственно не определяют характер пространственно - временного континуума. Он сам служит лишь ареной их проявления. Поля и частицы чужды геометрии мира и их надо добавить к геометрии, чтобы вообще можно было говорить о какой-либо физике; 2) в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнетизм и другие поля являются лишь проявлением искривленного пространства. Физика есть геометрия. ОТО оказалась переходной теорией между первым и вторым подходами. В ОТО представлен смешанный тип описания реальности: гравитация в ней геометризирована, а частицы и поля, отличные от гравитации, добавляются к геометрии. Многие ученые (в том числе и сам Эйнштейн) предпринимали попытки объединить электромагнитные и гравитационное поле в рамках достаточно общего геометрического формализма на базе ОТО. С открытием разнообразных элементарных частиц и соответствующих им полей естественно встала проблема включения и их в рамки подобной единой теории. Это положило начало длительному процессу поисков геометризированной единой теории поля, которая, по замыслу, должна реализовать второй подход – сведение физики к геометрии, создание геометродинамики. Контрольные вопросы 1. Какой был первый успех ОТО в объяснении известных общих свойств и закономерностей Вселенной? 2. Какие новые фундаментальные результаты были получены в ОТО? 3. Какую роль в физике ХХ века сыграла ОТО?

ЛИТЕРАТУРА 1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: «ЮНИТИ»,1997. - 519 с. 2. Скоробогатов В.А. Концепции современного естествознания. - С-Петербург: 2000. - 318 с. 3. Самыгин С.М. Концепции современного естествознания. - Ростов-н/Д: «Феникс», 1997. - 429 с. 4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - М: «Гардарики», 1999. - 475 с. 5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.: «Центр», 1998. - 205 с. 6. Хапачев Ю.П. Концепции современного естествознания. – Нальчик: КБГУ, 1995. - 174 с. 7. Кузнецов В.И. Естествознание. – М.:, «Агар», 1996. - 383 с.

68