Концепции современного естествознания (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

КАРАЧАЕВО-ЧЕРКЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра физики

Концепции современного естествознания

Методическое пособие для студентов дневного отделения всех специальностей

Черкесск, 2008

Рекомендовано к публикации кафедрой физики, протокол от 18.12.07г.

Публикуется по решению учебно - методического совета КЧГТА,
протокол №__ от______

Составители:

, к. ф.н., доцент Карданова Нэли Александровна, ст. преподаватель.

Рецензенты:

, д. ф.н., профессор. , д. ф-м. н., профессор.

Редактор: Куршев Оли Ибрагимович, к. ф-м. н., доцент.

2

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСА "КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ" (КСЕ)

Ниже приводятся элементы концепции естественнонаучного образование гуманитариев и обсуждаются методические особенности изучения курса "КСЕ". При этом взгляд на физику как основу естествознания необходимо расширяется до натурфилософского, эволюционного представления. В итоге физика возвышается до уровня науки об основах бытия и его становления в живой и неживой природе. Подчеркнем, что речь идет не о банальном редукционизме всех форм существования материи к физическим основаниям, а о принципах и подходах к моделированию и освоению целостного мира человеком, являющимся его частью и сознающим себя таковым. Иными словами в процессе изучения курса "КСЕ" следует раскрыть последовательное возникновение трех типов научной рациональности: классического, неклассического или кванто-физического, и постнеклассического или эволюционно- синергетического. Первому типу научной рациональности, т. е. классическому мышлению, отвечает ситуация: человек задает природе вопросы, природа отвечает, как она устроена. Второму типу научной рациональности, т. е. неклассическому (квантовая теория, статистическая физика), соответствует уже иная ситуация: человек задает природе вопросы, но ее ответы зависят уже не только от того, как она устроена, но и от способа постановки этих вопросов (относительность к средствам наблюдения). И наконец, сейчас пробивает себе дорогу третий тип науч­ной рациональности, т. е. постнеклассическое или эволкшионно-синергетическое мышление. Ему соответствует и новая ситуация: чело­век все так же задает природе вопросы. Природа, в свою очередь, по-прежнему ему отвечает, но эти ответы зависят теперь и от того, как она устроена, и от того, как ей был задан вопрос, и от предыстории самой системы. Таким образом, характер ответа определяется не только состоянием системы в данный момент времени, но и предшествующими состояниями. Более того, сама постановка вопроса человеком зависит от его культурных ценностей, определяемых всей историей цивилизации. Иными словами, человек уже выступает не сам по себе, а как носитель определенной культуры (это проблемы интерпретации единичных уникальных экспериментов, работа с биосферой Земли, экономические модели и т. д.). Разумеется, все эти типы научной рациональности реально сосуществуют, но при этом важно подчеркнуть, что достигнутый уровень рациональности определяется развитием цивилизации в целом. Поэтому дисциплина "КСЕ" должна быть продуктом междисциплинарного синтеза курсов физики, химии, биологии и экологии на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию. В целях демонстрации диалога науки и культуры необходимо непременное использование особенностей культурно-исторического контекста той эпохи, в которой рождались конкретные научные взгляды и открытия. Предлагается раскрытие драмы идей иллюстрировать через диалог творцов и их исторических оппонентов, например; Аристотеля и Галилея, Ньютона и Декарта, Дарвина и Ламарка, Бора и Эйнштейна. Это позволит подчеркнуть как личностное начало в науке, ее человеческое измерение и включенность в культуру, так и взаимовлияние науки и общества.

Наша концепция основана на том, что лидирующее место в культуре нашей эпохи бесспорно занимает наука. Научный метод, рожденный естествознанием, последние сто лет доминирует в духовном мире, проникая даже в науки о человеке и обществе. Ему мы обязаны триумфом техногенной цивилизации, которая привела не только к быстрому развитию экономической и социальной сфер общества, но и вызвала глобальный экологический кризис, отчуждение человека от природы, все большую дегуманизацию общества. Причины негативных эффектов глубоки и одна из них в том, что сегодня мы должны признать существование двух культур, обладающих разными языками, критериями и ценностями: культуры естествознания с доминантой научного метода, включающей науки о природе, технику и т. п., и культуры гуманитарной, включающей искусство, литературу, науки об обществе и внутреннем мире человека.

Задача курса "КСЕ" - дать понятия фундаментальности образования как образования, дающего целостное видение природы, человека и общества в контексте междисциплинарного диалога, в котором одной из наибольших проблем остается проблема взаимопонимания естественника и гуманитария.

2. Темы рефератов

по курсу «Концепции современного естествознания».

Вариант	Наименование контрольных работ
01	Пространственно - временные масштабы и физическое моделирование.
02	Поиски принципов объективного описания природы.
03	Мир дискретных объектов – физика частиц.
04	Состояние физической системы и ее изменение со временем.
05	Законы динамики и детерминизм Лапласа.
06	Импульс. Энергия и момент системы как меры движения.
07	Фотоны. Взаимопревращения энергии в системах частиц.
08	Мир непрерывных объектов – физика полей.
09	Модель сплошной среды (континуум ).
10	От физики Декарта к физике Максвелла.
11	Сплошная среда и упругие волны.
12	Взаимодействие : концепции близкодействия и дальнодействия.
13	Электромагнитное поле и электромагнитные волны.
14	Многообразие диапазонов электромагнитного излучения.
15	Интерференция, дифракция и поляризация света.
16	Идея голографии.
17	Мир микрообъектов - квантовая физика.
18	Квантование физических величин и суперпозиция состояний.
19	Квантовые переходы и излучение.
20	Атомы, молекулы, кристаллы.
21	Квантовая физика вокруг нас: лазеры, транзисторы.
22	Сверхпроводимость.
23	Квантовая физика – ключ к субатомному миру: кварки, адроны.
24	Квантовая физика – ключ к субатомному миру : ядра атомов, пульсары.
25	Мир реальных макрообъектов – статистическая физика.
26	Микро-и макроописание природы.
27	Вероятность как атрибут сложных систем.
28	Тепловое равновесие и флуктуации.
29	Неравновесные расстояния и релаксации.
30	Тепловая физика: от Карно к Гиббсу.
31	Энергия, температура, энтропия.
32	Ближний и дальний порядок в природе.
33	Фазовые переходы и симметрия.
34	Необратимость- неустранимое свойство реальности.
35	Время. Стрела времени.
36	Иерархия структур природы.
37	Мега-, макро-, и микромир.
38	Критерий относительной элементарности: «лестница» Вайскопфа.
39	Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.
40	Физический вакуум как реальность.
41	Эволюция Вселенной.
42	Устойчивость современных физических теорий.
43	Современная физическая картина мира и ее принципиальная незавершенность.
44	Источники нового взгляда на объективность познания природы.
45	Потребность в универсальной теории эволюции.
46	Проблемы времени и будущее физики.
47	Планеты.
48	Звезды.
49	Вещество в экстремальных условиях : белые карлики, нейтронные звезды.
50	Вещество в экстремальных условиях : черные дыры.
51	Галактики.
52	Горячая модель и эволюция Вселенной.
53	Физическая картина мира как философская категория.
54	Вещество и поле.
55	Сверхтекучесть и сверхпроводимость.
56	Физика плазмы и управляемый ядерный синтез.
57	Лазерное излучение как неравновесный фазовый переход.
58	Усиление света. Газовый лазер.
59	Применение лазеров в технологических процессах.
60	Принцип ЯМР - томографии.
61	Температурная сверхпроводимость (тепловые сверхпроводники).
62	Проблемы термоядерного синтеза.
63	Реактивное движение. 1-ая, 2-ая, 3-ая космические скорости.
64	Магнитные свойства вещества.
65	Изучение космических лучей.
66	Магнетика. Пара-, диа-, ферро-, антиферромагнетики.
67	Точка Кюри. Доменная структура.
68	Эффект Месс Бауэра.
69	Строение атомного ядра. Модели ядер.
70	Ядерные реакции. Радиоактивные превращения ядер.
71	Реакция ядерного деления. Цепная реакция деления.
72	Ядерный реактор.
73	Изотопы. Техническое применение изотопов.
74	Проблема источников энергии.
75	Термоядерный синтез.
76	Упрямый термоядерный синтез.
77	Периодическая система элементов .
78	Аннигиляция электрон-позитронной пары. Закон сохранения энергии.
79	Земля происхождение и динамика геосфер.
80	Климат – синергетический аспект.
81	Роль океанов.
82	Мозг как синергетический компьютер.
83	Научно-технические революции.
84	Радио от А. Попова до наших дней.
85	Основы передачи информации. Телевидение.
86	Космические программы России (СССР) и США.
87	Полет на Луну.
88	Использование космоса в мирных и военных целях.
89	Орбитальные космические полеты.
90	Исследование Марса, Венеры, Юпитера и других планет автоматическими межпланетными станциями.
91	Оптическая фильтрация пространственных частот. Принцип голографии.
92	Полимеры и жидкие кристаллы.
93	Рентгеновская томография и применение магнитного резонанса.
94	Внутренний и внешний фотоэффект, их технологическое применение.
95	Космические системы связи. Глобальная сеть INTERNET.
96	Альтернативные источники энергии.
97	Античность, классика, неклассика и постнеклассика научной рациональности.
98	Типы времени и фундаментальные парадигмы естествознания.
99	История естествознания до начала 21 века.
100	Панорама современного естествознания и ее незавершенность.

2.1. Указания по составлению реферата

Реферат оформляется в виде пояснительной записки, которая составляется в соответствии с требованиями действующих стандартов и должна содержать:

- титульный лист;

- содержание;

- введение;

- основную часть;

-  заключение;

-  список использованных источников.

Рекомендуемый объем пояснительной записки 10-15 страниц формата А4.

2.1.1. Введение

Одной из составных структурных частей реферата является введение. Введение должно содержать обоснование актуальности и необходимости изучения поставленной проблемы, а также содержать перечень рассмотренных вопросов.

2.1.2. Основная часть

Основная часть реферата должна содержать краткие исторические сведения по рассматриваемой проблеме, подробное изложение развития исследований, включая теоретические и экспериментальные, а также описание возможности использования рассмотренных явлений в народном хозяйстве и научных целях. В случае необходимости по тексту реферата следует располагать рисунки, графики или диаграммы. При этом на осях координат графиков обязательно надо показать какие величины отложены и в каких единицах. Вдоль каждой оси указывают значения этих величин в соответствующем масштабе.

Текст основной части реферата делят на разделы, подразделы, пункты. Каждый раздел необходимо начинать с новой страницы. Разделы должны иметь порядковую нумерацию в пределах всей пояснительной записки реферата и обозначаться арабскими цифрами. Введение и заключение не нумеруются.

2.1.3. Заключение

Заключение является неотъемлемой частью пояснительной записки реферата. Оно должно содержать краткие выводы по результатам изучения поставленной проблемы.

2.1.4. Список использованных источников

Оформление списка использованных источников должно соответствовать требованиям действующих стандартов. В списке должны быть указаны только те источники, которые действительно использованы в процессе работы над рефератом и на которые в тексте пояснительной записки имеются ссылки.

3. Взгляд на естествознание в целом: история и современность

3.1. Сущность и развитие научного метода

Человеку дана способность познания явлений, то есть умение на­ходить связи между ними и устанавливать последовательность причин и следствий. На каждом этапе истории он реализовал эту способность по-разному - в зависимости от того, что считала главным эпоха и каких ответов требовала она от своих лучших представителей. Нынешний век - век науки. Мы настолько привыкли отождествлять понятия знание и наука, что не мыслим себе иного знания, кроме научного. В чем его сущность и особенности? Сущность научного метода можно объяснить довольно просто: он позволяет добыть такие знания о явлениях, кото­рые можно проверить, сохранить и передать другому. Отсюда сразу следует, что наука изучает не вообще всякие явления, а только те из них, которые повторяются. Ее главная задача - отыскать законы, согласно которым эти явления протекают. В разное время наука достигала этой цели по-разному.

Древние греки внимательно наблюдали явления и затем с помощью умозрения пытались проникнуть в гармонию природы силой интеллекта, опираясь только на данные чувств, накопленные в памяти. В период Возрождения стало очевидно, что поставленная цель не может быть достигнута только с помощью пяти чувств - необходимы приборы, которые есть не что иное, как их продолжение и обострение. При этом сразу же возникли два вопроса: насколько можно доверять показаниям приборов и как сохранить информацию, полученную с их помощью?

Вторая задача была вскоре решена изобретением книгопечатания и последовательным применением математики в естественных науках. Значительно труднее оказалось разрешить первый вопрос - о достоверности знаний, полученных с помощью приборов. По существу, окончательно

он не исчерпан до сих пор, и вся история научного метода - это история постоянного углубления и видоизменения этого вопроса. Довольно скоро поняли, что показаниям приборов, как правило, можно доверять, то есть они отражают что-то реальное в природе, существующее независимо от них. В конце концов убедились, например, в том, что пятна на Солнце - это пятна именно на Солнце, а не дефекты зрительной трубы, с помощью которой они были открыты. В этот период расцвета экспериментальной физики были накоплены все те знания, на основе которых в начале нашего века произошел мощный скачок техники. Однако объем знаний стремительно рос, и в какой-то момент люди перестали понимать, как соотносить числа, полученные с помощью приборов, с реальными явлениями природе. Этот период в истории естествознания на рубеже веков известен как кризис в физике. Причин кризиса было две. С одной стороны, приборы слишком далеко ушли от непосредственных ощущений человека и поэтому интуиция, лишенная образной основы наблюдаемых фактов, не давала простой картины изучаемых явлений. Тем самым были исчерпаны возможности наглядной интерпретации данных опыта. С другой стороны, не существовало ло­гической схемы, которая помогла бы упорядочить научные факты и без ссылок на интуицию привести к таким наблюдаемым следствиям, против которых не мог бы возразить даже здравый смысл. Кризис преодолели на втором пути: по-прежнему доверяя показаниям приборов, изобрели новые понятия и новые логические схемы, которые научили по-новому относиться к этим показаниям. Именно в этот момент важное значение приобрела теоретическая физика. Решающую роль в ломке устоявшихся понятий сыграла квантовая механика. Она не только дала нам власть над совершенно новым миром квантовых явлений, но и убедила в том, что показания приборов - не простая фотография явлений природы: они лишь отражают и закрепляют числами какую-то одну их сторону и только вместе с нашими представлениями о ней получают смысл и значение. Эти знания с течением времени совершенствуются и позволяют нам правильно предсказывать все более тонкие явления природы. С этим согласны теперь почти все физики. Однако, как и все люди, они хотят понять больше: насколько полна картина мира, нарисованная физикой? Вопрос этот не физический, а, скорее, философский. Он возникал во все времена, но впервые четко был сформулирован в диалогах Платона.

Платон уподобил ученых узникам, прикованным в пещере спиной ко входу так, что они не видят ни света, ни предметов, находящихся у них за спиной, а только тени, движущиеся на стене перед ними. Он признавал, что даже в этих условиях, внимательно наблюдая движение теней, можно научиться предугадывать поведение тех тел, чьи тени видны на стене. Но знание, приобретенное таким способом, бесконечно далеко от того, которое получает освобожденный узник, выйдя из пещеры.

"Не думаешь ли ты, что, вспоминая о своей первой жизни, о той мудрости и о тех узниках, он сочтет свою перемену счастливой, а о других (оставшихся в пещере) будет жалеть?.. Вспоминая также о почестях и похвалах, которые возданы были друг другу, и о наградах тому, кто с проницательностью смотрел на происходящее и лучше других замечал, что бывает сначала, что потом и что идет вместе и, исходя из этого, обладал особой способностью угадывать, что должно быть, - как ты думаешь, будет ли он желать того же и станет ли он завидовать людям, которые у них считаются почетными и влиятельными?" - спрашивает один из героев Платона.

Платону нечего возразить. Окружающий мир и в самом деле богаче того, который мы в состоянии себе представить только на основе данных физики. Слепой от рождения может в совершенстве изучить оптику, но при этом он не будет иметь ни малейшего представления о том, что такое свет и как выглядит богатство весенних красок. Когда мы вступаем в мир квантовых явлений, все мы становимся похожими ни слепых от рождения. Мы начисто лишены квантового зрения и вынуждены двигаться в непривычном мире ощупью.

Число подобных аналогий легко умножить, и каждая из них учит физиков быть скромнее. Теперь мы понимаем, что вопросы о полноте физических знаний и о сущности явлений лежат вне физики и не могут быть разрешены ее средствами. Физика изучает только законы, по которым эти явления происходят.

3.2. Истинность и полнота научной картины мира

Вопрос этот не может быть разрешен логически: мы верим в науку, поскольку она позволяет нам правильно предсказывать явления природы и не зависит от произвола познающей личности. Мы можем сомневаться в структуре ее образов - они зависят от способа общения. Но мы теперь с достоверностью знаем, что все земные и небесные тела построены из одних и тех же элементов и примерно в тех же пропорциях.

Мы уверены даже, что законы природы одинаковы во всей Вселенной, и, следовательно, атом натрия всегда излучает одну и ту же D-линию, находится ли он на Земле, на Сириусе или в другой галактике. Это теперь признают почти все, и никто не сомневается в истинности этих знаний. Сомнения возникают тогда, когда мы на основании твердо установленных, но частных фактов пытаемся создать целостную и непротиворечивую картину мира, согласную со всей совокупностью данных опыта и обшей природой человеческого сознания. Наиболее часто возникает вопрос: насколько однозначна форма физических законов, в которую мы облекаем наше знание?

Категорического ответа на этот вопрос не существует. Те, кто знаком с историей науки, знают, что в некоторые периоды ее развития действительно бок о бок существовали две физические теории, каждая из которых считала себя истинной, и обе одинаково хорошо объясняли известные в то время явления. Однако та же история рассказывает, что с течением времени новые опыты выбирали из двух теорий только одну, либо же на новом этапе обе они сливались воедино на основе новых, более высоких принципов, как это случилось с корпускулярной и волновой теориями света, после открытия квантовой механики.

Факты и понятия науки могут показаться случайными хотя бы потому, что установлены в случайное время случайными людьми и часто при случайных обстоятельствах. Но, взятые вместе, они образуют единую закономерную систему, в которой число перекрестных связей настолько велико, что в ней нельзя заменить ни одного звена, не затронув при этом всех остальных. Под давлением новых фактов система эта непрерывно изменяется и уточняется, но никогда не теряет цельности и своеобразной законченности. Нынешняя система научных понятий - продукт длительной эволюции: в течение многих лет старые звенья в ней заменялись новыми, более совершенными, а совсем новые понятия всегда возникали с учетом и на основе прежних. Эволюция системы научных понятий - такой же бесконтрольный, но закономерный процесс, как и эволюция животного мира. Можно мыслить его другим в частностях, можно удивляться его странным особенностям, но нельзя представить его целиком иным. Неизвестно, как возникло первое понятие и первый организм и что случи­лось бы, если бы они были другими. Но мы знаем, что каждый новый шаг эволюции зависел от всех предыдущих. Поэтому можно легко вообразить лошадь с лапами тигра или атом в виде бублика, но представить иными весь животный мир и всю систему научных понятий нам не под силу: и биологическая эволюция, и формирование научных знаний подчиняются своим внутренним законам, изменить которые мы не в состоянии и познать которые до конца пока не удалось.' Мы рождаемся в мире сформировавшихся видов и установившихся понятий. Можно вывести новую породу лошадей или заменить одно понятие другим, которое больше соответствует научной истине. Однако вопрос об истинности или ложности всей системы человеческих знаний лежит вне сферы сознания и не может быть разрешен его силами. Более того, вопрос этот лишен смысла. Наука создана человеком и для человека, и вся система ее понятий придумана так, что она соответствует природе человеческого сознания. Конечная же цель понятий - объяснять и предсказывать явления, воздействующие на наши органы чувств или на их продолжение - приборы. Наши научные знания о мире - это реальные тени реальных явлений природы. Тени, которые они отбрасывают, освещенные светом нашего сознания.

Мир существует независимо от нашего сознания. Ему нет никакого дела до того, как мы, часть этого мира, представляем себе внутренние механизмы его внешних проявлений. Это важно только для нас самих. Все дело в другом: как далеко мы можем продвинуться на этом пути? И до каких пор сможем уточнять наши представления о причинах наблюдаемых явлений? Вместо вопроса о физической реальности мы должны решить вопрос о границах научного метода, который после изобретения квантовой механики стал особенно актуален.

4. Фундаментальные принципы, понятия и модели современного естествознания

4.1. Сценарии возникновения и эволюции Вселенной

Важнейшее научное открытие нашего века состоит в том, что окружающий нас физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.

У истоков этих драматических событий лежит ряд существенных открытий, сделанных за последнее десятилетие в фундаментальной физике, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления полученных результатов. Тон задают две новые концептуальные схемы: так называемая Теория великого объединения (ТВО) и суперсимметрия. Эти научные направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсилы. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структу­ру. Но суперсила - нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоническое целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал.

Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления природы в рамках единой описательной схемы.

Поиск суперсилы можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм - тесно связанные явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля, Об успехе этого описания можно судить по тому колоссальному влиянию, которое оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие необыкновенные результаты удалось бы получить на основе подобного объединения?

Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая Эйнштейном попытка создать единую теорию электро­магнитного и гравитационного полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию единой теории поля произошло только в конце 60-х годов нашего столетия, когда было показано, что математически электромагнетизм можно объединить с одной из ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку; наиболее эффективной из них было предсказание новой разновидности света, состоящего не из обычных фотонов, а из загадочных - частиц. В 1983 г, в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, расположенном в окрестностях Женевы, 2-частицы были, наконец, обнаружены - и единая теория поля получила блестящее подтверждение.

К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями еще один тип ядерных сил - сильное взаимодействие. Одновременно были получены и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории, в которой описания всех взаимодействий укладываются в единую схему. Казалось, что до создания единой теории поля, разработкой которой физики занимались многие десятилетия, отныне рукой подать.

Попытки физиков объединить четыре существующих в природе типа взаимодействия в единую суперсилу были вознаграждены щедрыми находками. Современная теория взаимодействий выросла из квантовой физики, согласно которой действие сил осуществляется путем обмена частицами. Поскольку все вещество также построено из частиц, квантовая физика обеспечивает единое описание сил и вещества. Действительно, природу сил "взаимодействий" невозможно отделить от микроскопической структуры материи: одни частицы взаимодействуют с другими (или сами с собой), обмениваясь некими третьими частицами. Следовательно, единая теория сил (взаимодействий) представляет собой и единую теорию материи. Ошеломляющий перечень субатомных частиц, обнаруженных экспериментаторами за последние пятьдесят лет, уже не выглядит бессмысленным нагромождением диковинных названий - частицы удается упорядочить в стройную схему.

Фундаментальным для этой программы объединения является понятие симметрии. По самой своей сути симметрия присутствует повсюду, где существуют связи между различными частями какого-либо объекта или системы. Если субатомные частицы с близкими свойствами сгруппировать в семейства, то возникающая при этом картина обнаруживает проявления глубоких симметрии. Математический анализ сил, ответственных за формирование материи, также выявляет наличие скрытых симметрии с тонкими свойствами. Опираясь на это, физики установили, что силы можно рассматривать просто как способ, которым в природе поддерживаются различные абстрактные симметрии.

Только постигнув взаимосвязь силовых полей, частиц и симметрии, физики сформулировали, вероятно, самую замечательную из известных гипотез: мы живем в одиннадцатимерной Вселенной. Согласно этой теории, трехмерный мир наших чувственных восприятий дополняется семью невидимыми пространственными измерениями, что и составляет вместе с временем одиннадцать измерений. Невидимые нам дополнительные семь измерений проявляются как силы, или взаимодействия. Например, электромагнитное взаимодействие в действительности представляет, собой некое невидимое пространственное измерение. Геометрия семи дополнительных измерений отражает симметрии, присущие взаимодействиям. Из этой теории следует, что в действительности силовых полей вообще нет, а существует только свернутое определенным образом пустое одиннадцатимерное пространство-время. Мир, возможно, в большей или меньшей степени построен из ничего, наделенного структурой, а сила и вещество - лишь проявления пространства и времени. Если это так, то перед нами взаимосвязь глубочайшего значения.

Эти обнадеживающие успехи в понимании фундаментальных взаимодействий, лежащих в основе физического мира, приводят к осознанию того, что наиболее существенные особенности наблюдаемой ныне структуры Вселенной были заложены в самые ранние космические эпохи, когда возраст Вселенной был много меньше секунды. Современные астрономы считают, что Вселенная возникла внезапно, в результате Большого взрыва - чудовищного катаклизма, когда температура и давление значительно превосходили их предельные значения, наблюдаемые во Вселенной в наши дни. В мгновение ока пространство заполнилось материей необычных форм, управляемых силами, которые с того времени остались навсегда подавленными. Именно тот первоначальный краткий миг бытия ознаменовался безраздельным господством суперсилы.

В самом начале Вселенная была безликим сгустком энергии, пребывала в состоянии с исключительно высокой степенью симметрии. Действительно, начальное состояние Вселенной вполне могло быть предельно простым. И только по мере быстрого расширения и охлаждения Вселенной из первородного горнила стала вырисовываться, застывая, знакомая структура окружающего нас мира. Одно за другим из суперсилы выделились четыре фундаментальных взаимодействия. Одна за другой частицы, из которых построено все вещество Вселенной, обретали свое нынешнее обличив. Тогда же, на той ранней стадии развития Вселенной сформировались галактики. Можно сказать, что высоко упорядоченная и тонко организованная Вселенная, которую мы наблюдаем сегодня, образовалась в результате "отвердевания" бесформенного однородного сгустка, рожденного Большим взрывом. Любая фундаментальная структура окружающего нас мира - это реликт, т. е. окаменелость начальной фазы. Чем примитивнее объект, тем древнее эпоха, в которую он выплавлялся в первородном горниле.

Чем был вызван Большой взрыв - всегда являлось величайшей космической тайной. До последнего времени на этот вопрос предлагались лишь метафизические ответы. Ныне стали вырисовываться первые наброски подлинно научного объяснения Большого взрыва, основанного на действии суперсилы. Согласно новейшим представлениям, переход Вселенной буквально из ничего в физическую реальность произошел самопроизвольно наподобие извержения. Даже пространство и время возникли только в момент Большого взрыва. Тайну этого беспричинного космического события хранит квантовая физика - раздел науки, о котором мы подробно расскажем в следующих главах. Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне инфраструктура Вселенной сформировалась в первыес, и эта мгновенная ее упорядоченность включала переход от десяти пространственных измерений к трем, сохранившимся до настоящего времени. Именно в ту эпоху Вселенная могла оказаться запертой в "космической ловушке", что обеспечило генерацию из ничего огромных количеств энергии. Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает Вселенную.