Современная физическая картина мира

тяготения спутника Сириуса..

Долгое время экспериментальных подтверждений ОТО было мало: изменения

орбиты Меркурия, красное смещение в спектрах звёзд, искривление лучей света

вблизи 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 XX 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 системы; оценивалось влияние

гравитационного поля Солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые

отправлялись к дальним планетам Солнечной системы, и т.д. Все они, так или

иначе, подтвердили предсказания, полученные на основе ОТО.

1.4 Современное состояние теории гравитации и её роль в физике

В физике XX в. ОТО сыграла особую и своеобразную роль.

Во-первых, она представляет собой новую теорию тяготения хотя, возможно,

и не вполне завершена и не лишена некоторых недостатков. Трудность состоит

в том, что гравитация — это вид энергии 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 нелинейны, 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. Математический аппарат

теории настолько сложен, что почти все задачи кроме самых простейших,

оказываются неразрешимыми. Из-за та ких трудностей (возможно, они

скорее технического характера, но может быть и принципиального) ученые до

сих пор — спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, — все еще

пытаются разобраться в ее смысле.

Во - вторых, на основе ОТО были развиты два фундаментальных

направления современной физики: геометризированные единые теории поля;

релятивистская космология.

Успешная геометризация гравитации заставила многих физиков задуматься над

вопросом о сущности физики в ее отношении с геометрией. Здесь сложились две

противоположные точки зрения:

I) поля и частицы непосредственно не определяют характер пространственно-

временного континуума. Он сам служит лишь ареной 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 электромагнитное и гравитационное поля 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.

Анализ показывает, что там, где проявляются изменения топологической

структуры мира, топологии пространственно-временного континуума, там

фиксируется кажущееся изменение фундаментальных законов природы. Так,

происходит кажущееся нарушение причинности, когда при падении в «черную

дыру» исчезают элементарные частицы. Поэтому изучение пространства и поиск

единой теории поля имеет глобальное значение.

2.1 Возникновение и развитие квантовой физики

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения

тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает

независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в XIX в. привело к

тому, что при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на

спектры поглощения. При 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 1860 г. 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 E?T и A?T – соответственно испускательная

и поглощательная способности тела, зависящие от длины волны ? и температуры

T, то

[pic] где ?(?,T) – некоторая универсальная функция ? и T, одинаковая для

всех тел.

Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все

падающие на него лучи. При определении вида универсальной функции

естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими

соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман

показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела

пропорциональна четвертой степени его температуры, однако задача

конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и

исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не

привели к успеху. Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения

классических представлений: при термодинамическом равновесии между

колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти энергия

сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на

долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся

энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.

1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. Планк предложил

новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула

давала полное соответствие с опытом, но её 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). 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 корпускулярно-волновой дуализм светового излучения

нельзя объяснить 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 и развитием квантовой механики.

2.2 Создание нерелятивсткой квантовой механики

Такие новые, представления и принципы были созданы плеядой выдающихся

физиков XX в. в 1925—1927 гг. В. Гейзенберг установил основы так называемой

матричной механики; Л. 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.

В 1926 г. Гейзенберг впервые высказал основные положения квантовой

механики в матричной форме. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна

ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые

непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях

(«наблюдаемыми» величинами, в терминологии Гейзенберга) — частотой

излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т.п.

«Ненаблюдаемые» величины, такие, как координаты электрона, его скорость,

траектория, 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, соотношения

величин новой теории должны быть аналогичными отношениям классических

величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую

ей квантовую величину и пользуясь 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 метке, Гейзенберг

приходит к важному принципиальному результату о невозможности

одновременного точного измерения двух канонически сопряженных величин и

устанавливает так называемое соотношение неопределенностей. Этот принцип

является основой физической интерпретации квантовой механики.

Второе направление в создании квантовой механики сначала развивалось в

работах Л. де Бройля. Он высказал идею о волновой природе материальных

частиц. На основании уже установленного факта одновременно и

корпускулярной, и волновой природы света, а также оптико-механической

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, примешивать какая-то доля

скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно

сильное влияние идеи де Бройля оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в

них основу для создания новой теории квантовых процессов. В 1926 г.

Шрёдингер, развивая идеи Бройля, построил так называемую волновую механику.

В квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезает. Так,

например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну,

длина которой зависит от скорости. Там, где укладывается целое число длин

волн электрона, волны складываются 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 де Бройля. Квантовая механика — теоретическая

основа современной химии. С помощью квантовой теории удалось построить

также 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.

2.3 Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности

Созданный группой физиков в 1925—1927 гг. формальный математический

аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие

возможности по количественному охвату значительного эмпирического

материала. Не оставалось сомнений, что квантовая механика пригодна для

описания определенного круга явлений. Вместе с тем исключительная

абстрактность квантово-механических формализмов, значительные отличия от

классической механики, замена кинематических и динамических переменных

абстрактными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятия

электронной орбиты, необходимость интерпретации формализмов и

др., рождали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате

возникло мнение о необходимости ее завершения.

Возникла дискуссия о том, каким путем это нужно делать. А. Эйнштейн и ряд

физиков считали, что квантово-механическое описание физической реальности

существенно неполно. Иначе говоря, созданная теория не является

фундаментальной теорией, 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.

Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся

важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалась вплоть до конца

40-х гг. Завершение выработки этой интерпретации означало и завершение

научной революции в физике, начавшейся в конце XIX в.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в

области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия

между физическим объектом и измеряемым 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,

распределённого в пространстве, будь то световое поле или поле, которое

описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера)

эти же микроявления выступают как частицы, как материальные точки. Причина

корпускулярно-волнового дуализма, по Бору в том, что сам микрообъект не

является ни волной, ни частицей 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.

Первая задача разрешается введением требования описывать поведение

прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое

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. При одном представлении микрообъекта

используется причинное описание соответствующих процессов, в другом случае

— пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два

описания.

2.4 Методологические установки неклассической физики

Создание релятивистской, а затем и квантовой физики привело к

необходимости пересмотра методологических установок классической физики.

Представим в систематическом виде методологические установки неклассической

физики:

. Признание объективного существования физического мира, т.е. его

существования до и независимо от человека и его сознания. В отличие от

классической физики, которая рассматривала мир физических элементов

как качественно однородное образование, современная физика приходит к

выводу о наличии трех качественно различающихся структурных уровней

мира физических элементов: микро-, макро- и мегауровней.

. Явления микромира, микропроцессы обладают чертами целостности,

необратимости и неделимости, которые приводят к качественному

изменению представлений о характере взаимосвязи объекта и

экспериментальных средств исследования.

. Причинность как один из элементов всеобщей связи и

взаимообусловленности вещей, явлений, событий материального мира

присуща и микропроцессам. Но характер причинной связи в микромире

отличен от механистического детерминизма. В области микроявлений

причинность реализуется через многообразие случайностей, поэтому

микропроцессам свойственны не динамические, а статистические

закономерности.

. Микроявления принципиально познаваемы. Получение полного и

непротиворечивого описания поведения микрочастиц требует выработки

нового способа познания и новых методологических установок познания.

. Основа познания — эксперимент, непосредственное материальное

взаимодействие между средствами исследования субъекта и объектом. Так

же, как и в классической физике, исследователь свободен в выборе

условий эксперимента.

. Кардинальные изменения в методологии неклассической физики по

сравнению с классической связаны с зависимостью описания поведения

физических объектов от условий познания. В релятивистской физике — это

учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства

скорости света в вакууме. В квантовой физике — фундаментальная роль

взаимодействия между микрообъектом и измерительным устройством,

прибором. Неклассическая физика характеризуется, по сути, изменением

познавательного отношения субъекта и объекта. В квантовой физике оно

фиксируется принципом дополнительности.

. Если в классической физике все свойства объекта могут определиться

одновременно, то уже в квантовой физике существуют принципиальные

ограничения, выражаемые принципом

неопределенности.

. Неклассические способы описания позволяют получать объективное

описание природы. Необъективность знания не должна отождествляться с

наглядностью. Создание механической наглядной модели вовсе не синоним

адекватного физического объяснения исследуемого явления.

. Физическая теория должна содержать в себе не только средства для

описания поведения познаваемых объектов, но и средства для описания

условий познания, включая процедуры исследования.

. В неклассической физике, как и в классической, игнорируется атомная

структура экспериментальных устройств.

. Структура процесса познания не является неизменной. Качественному

многообразию природы должно соответствовать многообразие

способов ее познания. На основе неклассических способов познания

(релятивистского и квантового) со временем должны сформироваться

другие новые способы познания.

Во второй половине XX в. основное внимание физиков обращено на создание

Страницы: 1, 2, 3