Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МАТЕРИИ

Понятие материи

Гносеологический аспект. Материя есть философская категория для обозначения всей объективной реальности, с помощью которой решается основной вопрос философии. Важнейший признак и свойство материи - быть объективной реальностью.

Онтологический аспект. Материя - научное понятие, с помощью которого исследуются конкретные формы, состояния, свойства, основные характеристики предметов, явлений, процессов природы. Знания о материи опираются на данные физики, химии, биологии и т.п.

Свойства материи: всеобщность, неуничтожимость, неисчерпаемость,

Натурфилософия

С Фалеса Милетского, жившего в Ионии (Малая Азия) инженера и купца, мореплавателя и геометра, начинается греческая философия. Фалес первый поставил вопрос о природе вещей. Он спрашивал себя: «Какой является первичная материя? Неизменной с самого ее начала? А если она претерпевает изменения, то каковы причины всех превращений, наблюдаемых человеком во Вселенной? Другими словами, какова материя, из которой образован реальный окружающий нас мир?» И пришел к выводу, что первооснова всего - вода.

Идея о существовании первичного элемента - первоосновы (праматерии), представление о том, что качественно материя едина, является смелой идеей и составляет главную заслугу Фалеса, 25 столетий назад пытавшегося найти причины, лежащие в основе явлений. Впоследствии все греческие философы решали, так или иначе, эту проблему. Земляк и друг Фалеса Анаксимандр (610-547 гг. до н.э.) считал, что первоосновой всего сущего является апейрон, неопределенный и беспредельный. Гераклит (540-480 гг. до н.э.) считал, что материей, которая отвечала бы бесконечности, является огонь, Анаксимен - воздух.

Идея первичной материи (праматерии) ученых Ионической школы была очень привлекательной, но она не могла объяснить все многообразие мира. Поэтому древние греки выдвинули концепцию элементов, из которых построена Вселенная. Впервые эта концепция была выдвинута Эмпедоклом (около 490-430 гг. до н.э.), жившим в Сицилии. Эмпедокл считал, что в основе всего лежит четыре элемента: вода, воздух, огонь и земля - эти элементы существуют вечно, но изменяясь по числу и величине путем соединения и разделения, образуют все многообразие.

Концепция атомистического материализма: материя состоит из атомов и пустоты. Левкипп, Демокрит (460-371 гг. до н.э). Историкам ничего не известно о жизни и деятельности Левкиппа. Не сохранилось ни одного документа, из которого можно было бы получить хоть какие-то сведения о его личности и о его учении. Известно, что труды Левкиппа развил его ученик Демокрит. Основные положения атомистической теории Левкиппа и Демокрита состояли в следующем:

1) из ничего не происходит ничего. Ничто существующее не может быть разрушено. Все изменения происходят благодаря соединению и разложению частей;

2) ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью;

3) не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое только воззрение;

4) атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. В вечном падении через бесконечное пространство большие, которые падают скорее, ударяются о меньшие, возникающие из этого боковые движения и вихри служат началом образования мира. Бесчисленные миры образуются и снова исчезают одни рядом с другими и одни после других;

5) различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не существует. В атоме нет никаких «внутренних состояний»; они действуют друг на друга только путем давления и удара;

6) душа состоит из тонких, гладких и круглых атомов, подобных атомам огня. Эти атомы наиболее подвижны и движения их, проникающие в тело, производят все жизненные явления. В учении атомистов материя и движение - основа бытия.

Воззрения атомистов - Левкиппа и Демокрита - на первоначала мира подверглись критике со стороны Аристотеля. Он в своей «Физике» критиковал воззрения атомистов, признающих пустоту и бесчисленное число атомов и миров. Земной шар, по Аристотелю, построен из изменчивых и превращенных друг в друга элементов, в нем происходит непрерывное изменение, разрушение, уничтожение. Четыре основные противоположности - сухость и влажность, тепло и холод - в своих сочетаниях дают начало четырем основным элементам мира: холодная и сухая земля, холодная и влажная вода, теплый и влажный воздух, теплый и сухой огонь. Аристотель признавал объективное существование материи, но она была наделена «текучестью». «Я называю материей первый субстрат каждой вещи, из которого возникает какая-либо вещь. Так, материей статуи является мрамор, материей дуба - желудь и т.д. Материя является только возможностью возникновения вещи, в результате придания материи формы. Всякая вещь есть единство материи и формы, в природе постоянно происходит переход материи в форму и формы в материю. Природа, подобно скульптору, делает из глыбы мрамора (материи) статую, придавая материи форму».

Дальнейшее развитие атомная гипотеза получила в трудах последнего представителя афинской науки и философии Эпикура (341-270 гг. до н.э.) и римского поэта и философа Лукреция Кара (около 99-55 гг. до н.э.). Учение Эпикура о природе основано на концепции атомов Демокрита, но несколько отличается.

Поразителен размах «атомной гипотезы». На ее основе Эпикур, а затем и Лукреций Кар в книге «О природе вещей» пытаются объяснить все естественные, психические и социальные явления. Само представление об атомах выводится из известных фактов (белье сохнет потому, что под действием солнца и ветра от него отрываются невидимые частицы воды, рука медной статуи у городских ворот, которую целуют, тоньше других, т.к. при поцелуе губы уносят частицы меди). Атомы находятся в беспорядочном движении, и Лукреций Кар рисует модель движения атомов, уподобляя его движению пылинок в солнечном луче. Это первая в истории науки картина молекулярного движения.

Атомистика после аристотелевской эпохи более конкретна, чем теория Аристотеля и атомистика Демокрита. Атомы Демокрита по существу чисто геометрические образы, они характеризуются только формой и объемом. У Эпикура и Лукреция атомы обладают весом, плотностью (твердостью) и внутренней способностью к самопроизвольным отклонениям от прямолинейного движения.

Итак, все теории строения материи, выдвинутые греческими философами, сходятся в том, что во всем бесконечном многообразии веществ лежит первооснова, остающаяся неизменной.

Классическая механика. Концепция дискретного строения материи

Согласно этой концепции материя есть субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса - И. Ньютон (1643-1727 гг.).

Дискретность (или прерывность) означает "зернистость", конечную делимость объекта, тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

Атомная гипотеза вновь утвердилась в эпоху Возрождения. Френсис Бэкон (1561-1625) развил корпускулярную теорию, Галилей (1562-1642) доходчиво и кратко описал атомистические представления. С 1700 г. начинается эпоха бурного развития чистой математики. Для объяснения некоторых свойств вещества стали применять математические теории. Благодаря математике установлена корпускулярная теория вещества. Моделью новой корпускулярной теории послужила теория движения небесных тел, разработанная Ньютоном. В ней частицы рассматривались как точки, обладающие массой, их движение подчинено законам Ньютона. Новая теория была корпускулярной и механической. Ньютон писал в «Оптике»: "… мне представляется вероятным, что Бог первоначально создал материю в виде твердых, крупных, прочных, непроницаемых и в то же время подвижных частиц и что эти простейшие частицы были несравненно более твердыми, чем какое-либо другое проницаемое тело такого же состава, твердыми в такой степени, что их невозможно дробить и обрабатывать».

Атомистическая теория продержалась в течение нескольких столетий. В первые годы XIX в. было признано, что она необходима для истолкования многих экспериментальных фактов, но не всех, как у древних греков. Считалось, что электричество, теплота, сила тяготения обладают свойством непрерывности. К концу XVII в. в химии пришли к определенному представлению о строении химически чистых веществ. Стали различать простейшие вещества (элементы), которые невозможно разложить химическими методами. Убедились, что число этих простых веществ намного меньше числа атомных веществ.

Электродинамика. Концепция континуального (непрерывного) строения материи

С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю согласно этой концепции можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

Согласно концепции континуального (непрерывного) строения материя существует в двух видах - вещество и поле (Джеймс Максвелл, 1831-1879 гг.). Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности.

Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство). Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле, электромагнитное поле и т.д.

Сплошная среда может занимать значительные области пространства, свойства ее изменяются непрерывно -- в сплошной среде нет резких границ. Этим поле и сплошная среда принципиально отличаются от физического тела с определенными границами. Идеальные образы очень маленьких тел (например атомов или молекул) -- материальные точки -- не имеют размеров и границ, и они представляются на фоне другой среды -- пустого пространства (вакуума) или пространства, заполненного какой-нибудь материальной средой.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство -- с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира -- его дискретности и непрерывности.

Квантовая механика. Концепция корпускулярно-волнового дуализма

В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные, независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой концепции любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами -- квантами электромагнитного поля, т.е. фотоны -- переносчики этого поля. Таким образом, материя как физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем. Поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, - волновыми, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы. Эта концепция была развита в работах М. Планка (1858-1947), В. Гейзенберга (1901-1976), Э. Шредингера (1887-1961), Н. Бора (1885-1962).

Материя как физическая реальность

Основные виды материи - вещество, поле. Основные формы существования материи -пространство и время.

Согласно современной квантовой физике новый возможный вид материи -- физический вакуум. Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак -- так называемое "море Дирака". Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движение материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн, обладающих достаточной энергией.

Способ существования материи - движение.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ДВИЖЕНИИ

Способом существования материи является движение. Движение - это любое изменение вообще, независимо от его характера, направления и результатов. Движение - это развитие. Развитие - особый вид изменения, являющийся необратимым и обязательно включающий в себя качественные преобразования.

Развитие характеризуется:

1) направленностью;

2) поступательностью;

3) преемственностью;

4) моментами повторяемости;

5) отрицанием старого и появлением нового;

6) развитие есть процесс.

В науке исторически сложилось две концепции в понимании движения: диалектическая концепция: движение есть способ существования материи. Это означает, что вне движения нельзя даже мысленно представить себе ни один материальный объект. Все, что мы можем сказать об объекте, в конечном итоге сводится к раскрытию присущих ему движений.

Метафизическая концепция или метафизический субстанциализм: объект значит нечто сам по себе, вне присущих ему движений. Движение - нечто внешнее налагающееся на объект. Таким образом, происходит абсолютизация субстанции.

Основные формы движения:

1) механическая;

2) физическая;

3) химическая;

4) биологическая;

5) социальная.

В античные времена Гераклит считал, что всё непрерывно меняется. Положение о всеобщей изменчивости связывалось Гераклитом с идеей внутренней раздвоенности вещей и процессов на противоположные стороны, с их взаимодействием. Гераклит обращал внимание на универсальный динамизм вещей и глубоко раскрыл эту тему. В его фрагментах читаем: "Нельзя войти в одну и ту же реку дважды и нельзя тронуть дважды нечто смертное в том же состоянии, но, по причине неудержимости и быстроты изменения, все рассеивается и собирается, приходит и уходит" или "Мы входим и не выходим в одну и ту же реку, мы те же самые и не те же самые"

Аристотель понимает движение как общее изменение, как активное превращение возможного в действительное. Понятие движения включает в себя также переход из одного состояния в другое, например, из бытия в небытие. Механическое движение - это только один из видов движения, заключающийся в перемене места.

Абсолютизация механического движения происходит в период становления классической науки. В механической картине мира единственной формой движения материи считалось механическое перемещение, т.е. все многообразие форм движения материи сводилось к механическому движению, а все сложные закономерности развития - к законам механики.

В электромагнитной картине мира под движением понимали не только перемещение зарядов, но и изменение поля. Волна рассматривалась как распространяющееся возмущение физического поля.

Согласно современным представлениям движение материи осуществляется в различных формах: химическое движение - это химический процесс, биологическое движение - процессы жизнедеятельности, эволюции живой природы. Таким образом, существует многообразие форм движения материи, они качественно различны и несводимы друг к другу.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

Взаимодействие и движение представляют собой важнейшие свойства материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время, выстраивая научную картину мира, физики отводили ведущую роль движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи.

В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. Есть и иные формы движения - в живой природе, в обществе. В неживой природе также можно выделить такие формы, как химическое и геологическое движение.

Тем не менее, именно физика занимается исследованием процессов, которые происходят в неживой природе и являются фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи. И механическое движение является основой всех более сложных форм движения, как физических, так и нефизических. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных или гравитационных волн в полях. Движение элементарных частиц тоже нельзя представить в виде определенной траектории, как у материальной точки. Совершенно другим законам подчиняются изменения (движения), происходящие в живых организмах и обществе.

Понятие взаимодействия

У всех форм движения материи есть нечто общее. Все они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структурные связи и контакты с другими материальными системами. Таким образом, все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать - значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

Взаимодействие - это развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия.

По существу, понятия движение и взаимодействие совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Общая характеристика физических взаимодействий

Последовательное описание взаимодействия, раскрытие его механизма - одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма физического взаимодействия. Это принципы дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Его автором стал И. Ньютон, который с его помощью пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия взаимодействие между телами происходило мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который известен в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем, от точки к точке, с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем, от точки к точке, со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту - посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это некоторое время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Но чтобы свет дошел от Солнца до Земли требуется уже около 8 минут, то есть время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки, физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, то есть идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Таким образом, многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известных в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи - так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удается выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда - квант - называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами. По современным представлениям, любое взаимодействие происходит по современному принципу близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, поскольку без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум.

В обыденном представлении вакуум ассоциируется с пустотой, но на самом деле это не так. Вакуум - это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля. В вакууме постоянно протекают сложные физические превращения, в том числе постоянное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц.

Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения.

Гравитационное взаимодействие обладает специфическими свойствами, отличающими его от других фундаментальных взаимодействий. Во-первых, это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 10⁴⁰ раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта величина стала понятнее, можно провести такую аналогию: если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Тем не менее эта очень слабая сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его второй особенностью - универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля участвуют в гравитационном взаимодействии. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Эта закономерность была выявлена еще Ньютоном и сформулирована им в законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила. Разумеется, ее интенсивность убывает с расстоянием (об этом также говорит закон всемирного тяготения), но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

Теория гравитационного взаимодействия находится в процессе своего создания, так как помимо полевых представлений о гравитации существует общая теория относительности, которая рассматривает ее как искривление пространства-времени. Какая из этих теорий верна, покажет будущее.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие также обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий, поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, его действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы - это проявление одного и того же феномена. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

Но современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Теория начинается с утверждения существования электрического заряда, который проявляется в двух разновидностях: 1) заряд, присущий электрону, назван отрицательным; 2) заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. В отличие от гравитационного взаимодействия, не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Существуют электрически нейтральные частицы, например нейтрон.

Электрический заряд создает поле, квантом которого является безмассовый бозон - фотон со спином, равным 1. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных - отталкивания. В этом проявляется еще одно отличие от гравитационного взаимодействия, которое проявляется только как притяжение.

Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее только в микромире. Оно ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная теория) была создана еще в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось, что слабое взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида - в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало ясно, что данная теория несовершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается только малыми энергиями частиц, участвующих во взаимодействии. Кроме того, теория резко контрастировала с господствующей картиной мира и не отвечала требованиям единообразия в описании всех физических взаимодействий.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия стало главным триумфом теоретической физики за последние три десятилетия XX в. Единая теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все процессы, происходящие при энергиях от долей электрон-вольта до сотен гигаэлектрон-вольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили название Стандартной модели. Ее основные положения согласуются с результатами большинства экспериментов.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильного взаимодействия является типичной полевой теорией и называется квантовой хромодинамикой.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, желтого). Они присущи кваркам и выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами - бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue - клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия - до 10^-13 см (порядка атомного ядра).

Как было отмечено ранее, все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами: с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. Таким образом, ядерные силы - это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.

ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Важнейшей задачей естествознания является создание естественно-научной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. При этом оказывается, что физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно зависят от изменения длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

Для обыденных представлений пространство и время - нечто привычное, известное и очевидное. С самых первых дней после своего появления на свет ребенок начинает осознавать, что существуют разные направления в окружающем его мире. Вначале - это верх и низ, когда ребенок начинает вставать, возникает ощущение переда и зада. В более старшем возрасте различают правую и левую стороны. Тогда же осознается факт, что любой предмет занимает определенное место относительно других объектов, граничит с ними. Так постепенно, через осознание предельно общих свойств, отражающих структурную организацию окружающего нас мира, на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности складывается понятие пространства.

Понятие о времени также складывается еще в детском возрасте, но позже, чем представление о пространстве. Примерно с пяти лет ребенок начинает замечать смену дня и ночи. Несколько позже становится понятным деление суток на утро, день, вечер и ночь. Тогда же появляется представление о течении времени, о существовании сегодняшнего, вчерашнего и завтрашнего дней. Еще позже осознается возможность выделения как более коротких (час, минута, секунда), так и более длинных промежутков времени (неделя, месяц, год).

Таким образом, время - это форма бытия материи, характеризующая последовательность смены состояний и длительности существования любых объектов и процессов. Представление о времени складывается на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Достаточно быстро человек осознает и то, что пространство и время очень тесно взаимосвязаны друг с другом. Ведь время можно измерять мерой пространства - расстоянием, а расстояние - мерами времени. Так, время можно измерять относительным положением стрелок на циферблате часов, расстояние - временем, которое потребуется на дорогу до какого-либо объекта (пять минут ходьбы от метро).

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный, нередко противоречивый характер. Так, для Демокрита пространство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов. Оно было вместилищем материальных тел. В то же время большинство древнегреческих философов не признавали существования пустоты и тем самым связывали существование пространства с материальными телами, характеристикой которых оно являлось. Эти идеи в завершенной форме были высказаны в «Началах» Евклида, который считал пространство однородным и бесконечным.

Огромное значение для развития представлений о пространстве и времени имели работы Г. Галилея, который ввел в науку идею инерции и классический принцип относительности. Согласно этим принципам все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. В результате такие характеристики тел, как длина и время, являются неизменными или инвариантными.

Следующий важный шаг был сделан Р. Декартом, который связал физику и геометрию. Он ввел в науку координатную систему, в которой состояние материального тела описывалось с помощью трех пространственных (длина, ширина, высота) и одной временной координаты. Он же первым стал отождествлять пространство с протяженностью материальных объектов, отрицая при этом существование пустого пространства. Также Декарт связал время с длительностью материальных процессов, с осознанием человеком этой длительности.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно он ввел господствовавшие в науке до начала XX в. представления о пространстве и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Это было сделано в его знаменитой книге «Математические начала натуральной философии». В ней Ньютон попытался объединить существующие в науке точки зрения на пространство и время.

В своем описании, с одной стороны, он использовал представления о пространстве и времени как о внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы даже при исчезновении материи. С другой стороны, он сохранял понимание пространства и времени как протяженности и длительности материальных объектов, существующих во Вселенной.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить себе в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно. Его можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это минута, час, день, месяц, год.

Разграничение абсолютного и относительного пространства и времени, произведенное Ньютоном, связано со спецификой человеческого познания, которое происходит на двух уровнях - эмпирическом и теоретическом. На эмпирическом уровне познания человек воспринимает пространство и время через свои органы чувств. Такое познание ограничено способностями познающей личности и не может адекватно передать реальность нашего мира. Лишь находясь на теоретическом уровне познания, человеческий разум способен представить пространство и время как абсолютные, универсальные и инерциальные системы отсчета.

Абсолютное пространство и время Ньютона предстают перед нами в качестве самодовлеющих элементов бытия, существующих вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Это - «черный ящик», уже упоминавшийся выше. Правда, Ньютон считал, что как материя, так и пространство и время подвластны Богу, который является единственной подлинной реальностью.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он подчеркивал неразрывную связь материи с пространством и временем.

Но взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные Ньютоном законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания.

Ньютоновское пространство считалось бесконечным, плоским, евклидовым. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (одинаковое по всем направлениям). Это пространство выступало в качестве вместилища материальных тел, оно было независимой от этих тел инерциальной системой.

Абсолютное время было однородным и равномерно текущим, одинаковым во всей Вселенной. Оно служило универсальной длительностью, независимой системой отсчета любых процессов во Вселенной.

Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютных пространства и времени относительными. Тем не менее инерция мышления была так велика, что еще несколько десятилетий признавалось существование мирового эфира как абсолютной системы отсчета, стоящей в одном ряду с абсолютными пространством и временем.

В других концепциях проблема пространства и времени рассматривалась во взаимосвязи с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как относительного, как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в XX в., после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественно-научное обоснование.

Теория относительности

Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. В то время в механике господствовал классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а в электродинамике - концепция эфира - ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство, являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими.

Существование эфира долгое время не подвергалось сомнению. Более того, после выдвинутого Максвеллом предложения, что свет - это электромагнитная волна, распространяющаяся в мировом эфире, казалось, позиции сторонников эфирной теории еще больше укрепились. Не хватало лишь решающего эксперимента, который доказал бы, что наша планета движется сквозь эфир. Считалось, что при этом порождается «эфирный ветер», сносящий свет, испускаемый источником на Земле, в направлении против движения нашей планеты. Поскольку скорость движения Земли вокруг Солнца составляет 30 км/с, то скорость света должна была уменьшиться на эту же величину.

Такой эксперимент был проведен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э. Морли. Они попытались обнаружить теоретически предсказанное смещение. Точность эксперимента для того времени была очень высока, но никакого «эфирного ветра» им обнаружить не удалось.

Таким образом, опыт Майкельсона - Морли показал независимость скорости света от движения Земли. Отрицательный результат эксперимента было невозможно объяснить ни в рамках классической механики, ни в рамках электродинамики. Получалось, что вопреки существующей в электродинамике концепции эфира для электромагнитных явлений не было выделенной системы координат. Классический принцип относительности Галилея был верен и для них.

Специальная теория относительности

Около десяти лет работал Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться.

Так был сформулирован первый постулат специальной теории относительности - расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн позаимствовал из электродинамики - это принцип постоянства скорости света в вакууме, примерно равной 300 000 км/с.

Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Поэтому путешественник в закрытой каюте спокойно плывущего корабля не замечает никаких признаков движения. Если на том же корабле подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Для нашего путешественника книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу - эта книга плывет вместе с кораблем.

В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы бессмысленной тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим, действуя не только в механике, но и в электродинамике. Таким образом, электромагнитные явления стали описываться как инерциальные системы, инвариантные (неизменные) относительно постановки в них любых физических экспериментов. Иными словами, обобщенный принцип относительности утверждал, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится.

Второй постулат специальной теории относительности говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Дело в том, что скорость света - самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Первым в этом усомнился Галилей и попытался ее измерить, но точность тогдашних измерительных приборов не позволила этого сделать. Задачу измерения скорости света ставил перед собой датчанин О. Рёмер, который исследовал движение спутника Юпитера и определил скорость равной 214 000 км/с. Эта величина была уточнена уже в XIX в. и составила 299 792 458 м/с. Обычно ее считают примерно равной 300 000 км/с.

Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с, скорость Земли в ее орбитальном вращении вокруг Солнца - 30 км/с, скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики - около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики с большой группой других галактик относительно других таких же групп - еще в два раза больше. Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это огромная скорость, но все же и она очень мала по сравнению со скоростью света.

Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения. Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.