Концепции современного естествознания (стр. 2 )

Совсем другая ситуация с микрообъектами: они в соответствии с принципом неопределенности не могут характеризоваться одновременно определенными координатой и импульсом, откуда следует вывод: в начальный момент времени состояние системы точно не определено. Если же начальное состояние системы не определено, то нельзя предсказать ее последующие состояния, а это значит, что нарушается принцип причинности. Однако в реальном случае никакого нарушения нет, поскольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта имеет совершенно другой смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состояние микрообъекта полностью определяется волновой функцией в данный и последующий моменты времени. Таким образом,

состояние системы микрочастиц, определяемое в квантовой механике, однозначно вытекает из предшествующего состояния, как того требует принцип причинности.

В становлении квантово-механических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия:

всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя, указывая границы ее применимости, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую.

Таким образом, формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света в вакууме, в формулы механики Ньютона. Волновыми свойствами обладают все тела, однако для макроскопических тел ими можно пренебречь, т. е. для них применима классическая механика Ньютона.

Практические аспекты квантово-механической концепции. Квантово-механическая концепция, описывающая микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах – от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники – предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных мощных вычислительных средств. Вполне возможно, что через какое-то время квантовый компьютер станет инструментом, столь же привычным, как сегодня обычный компьютер.

СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ СИСТЕМЫ

К современным объектам изучения атомной физики относятся не только атомы с их сложным строением, но и различные атомные системы с необычной структурой, определяющей их уникальные химические и физические свойства. К таким атомным системам относятся эксимерные молекулы, кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и др.

Эксимерные молекулы существуют только в возбужденном состоянии. Возбужденные молекулы с атомом благородного газа, например, фториды криптона и ксенона, а также некоторые их производные синтезированы в последние десятилетия. Главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду для создания эксимерных лазеров – мощных квантовых генераторов ультрафиолетового излучения.

Кластеры занимают промежуточное положение между молекулярным и конденсированным состоянием вещества. Кластеры состоят из относительно небольшого количества атомов или молекул. Кластеры получаются при охлаждении газа в результате его расширения в сверхзвуковом сопле Возможен и другой способ получения кластеров: при взаимодействии сфокусированного источника энергии (лазерного луча, либо пучка заряженных частиц высокой энергии) с веществом, находящимся в конденсированном состоянии, образуется своеобразная среда, содержащая кластеры различных размеров.

Кластеры находят практическое применение в современной нанотехнологии. При осаждении потока кластеров на подложку можно сформировать элемент электронной схемы, размеры которого составляют десятки нанометров, и получить, например, полупроводниковую зону чрезвычайно малых размеров.

Фуллерены – новая разновидность многоатомных молекул углерода, открытая в результате экспериментального исследования кластеров. Молекула фуллеренов состоит из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Структура фуллерена представляет собой замкнутую поверхность сферы или сфероида, состоящую из правильных шести - и пятиугольников с атомами углерода в их вершинах. Число пятиугольников всегда равно 12, а число шестиугольников может быть различным. Наиболее устойчивой оказалась молекула С60 с двадцатью шестиугольниками. Фуллерены обладают высокой химической активностью и способны образовывать множество новых химических соединений с необычными свойствами. Кристаллы фуллеренов – полупроводники с фотопроводимостью в видимой области спектра. Легированные атомами щелочных металлов, фуллерены обладают сверхпроводимостью при температуре 18-40 К.

Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные молекулярные структуры углерода в виде полого цилиндра. Технология их формирования такая же, как и для фуллеренов: они образуются при термическом распылении графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Длина однослойных или многослойных молекулярных нанотрубок достигает десятков микрометров, что на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий от одного до нескольких нанометров. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферой.

Углеродные нанотрубки обладают необычными свойствами. Так нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект – способность втягивать в себя расправленные металлы и другие жидкие вещества. С помощью нанотрубок можно сформировать p–n-переход нанометровых размеров и т. д.

Таким образом, рассмотренные атомные системы могут составить основу для синтеза новых перспективных материалов – материалов XXI в. с уникальными физическими и химическими свойствами.

СТРОЕНИЕ ЯДЕР

Строение атомного ядра. Из опытов Резерфорда следовало, что размер ядра атома 10-14 – 10-15 м (размер атома – около 10-10 м). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра предложена советским физиком (1904–1994), профессором МГУ им. , и затем развита В. Гейзенбергом.

Нейтрон, электрически нейтральная элементарная частица со спином ½ и массой покоя, незначительно превышающей массу протона; относится к классу адронов и входит в группу барионов; открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Нейтрон стабилен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около 12 мин.

(Адроны – класс элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. К адронам относятся все барионы и мюоны, включая резонансы. Барионы – группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелым спином и массой не менее массы протона (нуклоны, гипероны и др.). Мюоны – нестабильные заряженные элементарные частицы со спином ½, временем жизни 2,2۰10-6 с и массой приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона; относятся к классу лептонов. Лептоны – класс элементарных частиц с полуцелым спином, не обладающих сильным взаимодействием. К лептонам относятся электрон, мюон, нейтрино, открытый в 1975 г. тяжелый лептон и соответствующим им античастицы. Все лептоны имеют спин ½, т. е являются фермионами).

Протон, стабильная элементарная частица со спином ½, ядро атома водорода; имеет положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и массу покоя, превосходящую массу электрона примерно в 1836 раз; протон является адроном и относится к классу барионов.

Протоны и нейтроны называются нуклонами, а общее их число – массовым числом А. Атомное число характеризуется зарядом Ze, где e – заряд протона, Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента Периодической системы элементов Менделеева. Заряд ядра определяет специфику химического элемента, т. е. число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Ядра с одинаковыми значениями Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N = A – Z), называются изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z – изобарами. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изотопы, например, изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий).

Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, ядерные силы – силы только притяжения, насыщения, зависимость от взаимной ориентации спинов нуклонов и др.

Весьма сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра не позволили пока разработать единую, последовательную теорию атомного ядра.

Дефект массы и энергия связи ядра. Масс-спектроскопические измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называется дефектом массы ∆m. Поскольку всякому изменению массы соответствует изменение энергии, при образовании ядра выделяется энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра Есв. Она определяется формулой

Есв = ∆mс2,

где с – скорость света.

Обычно рассматривают удельную энергию связи – среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер (чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро) и зависит от массового числа А. Наиболее устойчивыми, с энергетической точки зрения, оказываются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два процесса:

1)  деление тяжелых ядер на более легкие;

2)  слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер).

Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цепной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии.

Радиоактивность. В 1896 г. французский физик (1852–1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного позднее французские ученые, супруги Кюри – Мария (1867–1934) и Пьер (1859–1906) – наблюдали подобное излучение и для других веществ – тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания – радиоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по физике 1903 г.

В современном представлении радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную, наблюдаемую в существующих в природе неустойчивых изотопах и искусственную – у изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального физического различия между ними нет: для них характерны одни и те же закономерности радиоактивного превращения.

Различают три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета - и гамма-излучение. Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью. Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частицы положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.

Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизующей способностью и относительно высокой проникающей способностью. Один из видов бета-излучения – поток быстрых электронов.

Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем, обладает сравнительно слабой ионизующей способностью и очень высокой проникающей способностью. Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10-10 м), что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.

Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте. Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада.

Цепная реакция деления. Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер, при которых тяжелое ядро (например, урана) под действием нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии, например 1.1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действительно выделяется огромная энергия, распределяющаяся между осколками (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего распада осколков деления. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных станций. В процессе цепной реакции изотопов (например, уран-235) возможно воспроизводство ядерного топлива.

Термоядерный синтез. Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. Энергия одного нуклона в реакции синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Управляемый термоядерный синтез – важнейшая проблема естествознания, с решением которой открывается новый перспективный путь развития энергетики.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы материи. Представление об элементарных частицах отражает ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц – способность к взаимным превращениям, что не позволяет рассматривать их как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобно атомам Демокрита. Каждая элементарная частица (за исключением нейтральных частиц) имеет свою античастицу. К настоящему времени обнаружено несколько сотен элементарных частиц, включающих и античастицы. Из них стабильны фотон, электронное, мюонное и таонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время 103 с для свободного нейтрона и до 10-22 – 10-14 с для резонансов. (Резонанс – от лат. resono откликаюсь – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при сближении частоты внешней силы с одной из собственных колебаний системы). Однако нельзя считать, что нестабильные частицы состоят из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Некоторые элементарные частицы обладают необычными, а в ряде случаев загадочными свойствами. Например, долгое время считалось, что своеобразная частица нейтрино не имеет массы. Экспериментально зарегистрировать нейтрино удалось лишь в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность их регистрации заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их чрезвычайно высокой проникающей способности. В дальнейшем, кроме электронного нейтрино зарегистрированы антинейтрино, мюонное и таонное нейтрино (электрически нейтральная частица со спином ½; участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях; обладает огромной проникающей способностью, особенно при низких энергиях). Совсем недавно в ходе экспериментов по изучению двойного бета-распада в итальянской подземной лаборатории удалось установить, что масса покоя нейтрино все же не равна нулю, хотя относительно мала – не превышает 0.2 эВ.

Антивещество – вещество, состоящее из античастиц. Не менее интересны и загадочны античастицы, которые имеют ту же массу, спин, время жизни и некоторые другие характеристики, что и их частицы-двойники, но отличаются от них знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда и др. Гипотезу об античастицах предложил в 1928 г. П. Дирак: в результате решения релятивистского волнового уравнения он предсказал существование античастицы электрона – позитрона, обнаруженного спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон не единственная пара частица – античастица. Все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, при которой образуются другие элементарные частицы или фотоны. Например, в результате аннигиляции пары электрон–позитрон рождаются фотоны (элем. частица, квант эл.-м. изл-я с массой покоя, равной нулю).

Свойства физического вакуума. По определению, вакуум (лат. – пустота) – пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. В квантовой теории поля – наинизшее энергетическое состояние. Физический вакуум (лат. – пустота) – рассматривается как особый вид вещества, состоящий из виртуальных частиц и ответственный за квантовые и релятивистские свойства всех вещественных тел.

Специфическая характеристика элементарных частиц – четность – это квантовое число, определяющее симметрию волновой функции относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция не меняет знака, то ее четность положительна, если меняет знак – отрицательна. Из квантовой механики следует закон сохранения четности:

при всех превращениях системы частиц четность состояния не изменяется.

Сохранение четности связано со свойством зеркальной симметрии пространства и указывает на инвариантность законов природы при замене правого левым и наоборот. Однако в слабых взаимодействиях закон сохранения четности может нарушаться, что подтвердилось экспериментально при исследовании К-мезонов (мезоны – нестабильные элементарные частицы различных масс, обладающие целочисленным спином) в 1956 г. В то же время

закон сохранения четности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействий.

Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. В частности, сравнительно недавно сообщалось о том, что обнаружена еще одна частица. Вместе с обнаружением новых элементарных частиц продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы служить составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками (кварки – микроскопические частицы со спином, элементарные составляющие всех адронов, баринов и мезонов. В пределах точности современного эксперимента – точечные, бесструктурные образования, менее 10-16 см), была высказана в 1964 г. американскими физиками М. Гелл-Маном и Дж. Цвейгом, удостоенных Нобелевской премии 1969 г. В основу модели было положено представление о том, что мезоны образуются из пары кварк–антикварк, а барионы из трех кварков. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные заряды, спин 1/2, (кварки – фермионы) и ряд других квантовых чисел. Такая особенность необычна и удивительна, поскольку до сих пор никто не обнаружил частиц с такими зарядами. Вначале кварки были гипотетическими элементами, удобными для описания адронов (сильновзаимодействующие элементарные частицы). В последующие годы их существование было подтверждено экспериментально. В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель оказалась весьма плодотворной – они позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.

От других элементарных частиц кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они не существуют, хотя имеются четкие свидетельства их существования в связанном состоянии. Эта особенность кварков связана со спецификой их взаимодействия, порождаемого обменом особыми частицами – глюонами. Это безмассовые частицы со спином 1. Существует 8 глюонов, отличающихся только цветом. В адронах кварки взаимодействуют посредством обьмена глюонами. При обмене глюонами изменяется цвет кварков, остальные их свойства остаются без изменения. Силы притяжения между кварками не ослабляются с увеличением расстояния, поэтому для отделения кварков друг от друга требуется бесконечная энергия. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки внутри адрона оказываются практически свободными. Такое свойство называют удержанием цвета. В связи с этим говорить о массе кварков, как собственно элементарных частиц, затруднительно. Поэтому для кварков используют понятие эффективной массы, которая позволяет сравнивать их между собой.

Теоретически обоснованные и экспериментально обнаруженные частицы, составляющие основу материального мира вместе с переносчиками сильного и слабого взаимодействий, позволили построить так называемую стандартную модель. В качестве фундаментальных частиц стандартная модель отбирает 12 фермионов (шесть кварков и шесть лептонов) и 4 бозона (фотон, глюоны и промежуточные векторные бозоны – переносчики слабых взаимодействий). Дополнительно вводят гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия, которые имеет спин 2 или 0 и распространяется со скоростью света. Гравитон не обнаружен экспериментально, однако без него не удается создать непротиворечивую теорию. Итого, в основе мироздания лежат 17 фундаментальных частиц.

Единая теория электрослабых взаимодействий является частью общего замысла, основанного на единстве всех видов взаимодействий. Существует идея объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий в одно фундаментальное, которое характеризовалось бы одной безразмерной константой. Такое объединение называется Великим. Возможным развитием моделей Великого объединения является единое описание всех взаимодействий, включая гравитационное. Такая теория означала бы суперобъединение, из которого получились бы все известные поля в результате последовательного применения преобразования суперсимметрии.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ МИКРОМИРА

Современные ускорители. Одним из основных технических средств экспериментального исследования свойств объектов микромира являются ускорители заряженных частиц. Полученные в ускорителе управляемые пучки частиц – подходящий инструмент для проведения операций внутри атомов и атомных ядер, для исследования свойств и структуры элементарных частиц. Для подобных исследований нужна энергия ускоренных частиц в десятки, сотни и даже в тысячи гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 109 эВ). В этой связи область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий.. Возможно, новые знания свойствах исследуемых элементарных частиц позволят создать новую энергетику XXI в.

В современных ускорителях вместо неподвижной мишени часто используется встречный ускоренный пучок частиц. Подобные ускорители на встречных пучках называются коллайдерами. К настоящему времени построено несколько коллайдеров: в США, Японии, Германии и в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии. В Женеве планируется завершить примерно через 10 лет строительство самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц – большого адронного коллайдера – в 27-километровом подземном тоннеле. Физики надеются, что при энергиях сталкивающихся частиц порядка 10 ТэВ (1ТэВ = 1012 эВ) можно получить важные сведения о глубинных процессах. На таком гигантском ускорителе и размеры детекторов для регистрации частиц поражают воображение. Один из них, самый крупный, представляет собой сложнейшее в техническом исполнении устройство цилиндрической формы длиной 26 и диаметром 20 м, массой около 7 тыс. т. Его разработкой занимается международная группа разработчиков (примерно 1,5 тыс. человек) из трех десятков стран: США, России, Японии, Франции, Англии и др. Детектор в рабочем режиме будет выдавать поток информации по объему сравнимый с циркулирующей сегодня во всех европейских компьютерных сетях информацией.

Структурная нейтронография. Стремясь проникнуть в глубь материи и изучить ее структуру, исследователи создавали все более совершенные приборы и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил «увидеть» форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее деформацией под действием внешних условий, например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно были созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения свойств вещества, основанный на рассеянии нейтронов (характерная длина волны – порядка 0,03 нм). Проходя через вещество, нейтроны испытывают дифракцию в результате рассеяния их на отдельных атомах. Структурная нейтронография – одно из крупнейших достижений современного естествознания, ибо позволяет проследить за поведением каждого атома. Это открывает широкие возможности микроскопических исследований свойств объектов живой и неживой приборы.

Общие замечания о концепциях микромира. Концепции теории микромира, основанные на квантовой механике, на первый взгляд являются сильно отличающимися от концепций, используемых в теории макромира. Поэтому общим утверждением является утверждение о «неизбежности странного мира», когда речь заходит о микромире. Любопытна, однако, сама возможность понимания таким макроскопическим существом, каким является человек с его макроскопическим же мозгом, этого «странного мира». Перечислим еще раз эти концепции.

Это концепция кванта действия как мельчайшей, далее неделимой единицы действия.

Это концепция корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой микрочастицы обладают волновыми свойствами и математически описываются волновой функцией, позволяющей вычислять вероятности тех или иных значений физических величин, характеризующих микрочастицы.

Это концепция дополнительности, говорящая о существовании у микрочастиц дополнительных характеристик, так что одновременно они существовать не могут, хотя в разные моменты времени могут наблюдаться.

Это концепция индетерминизма, утверждающая наличие объективной случайности в микромире.

Наконец, это зависимость существования определенных значений дополнительных величин от наблюдателя и производимых им измерений.

Микромир построен из элементарных частиц. Фундаментальными частицами являются кварки и лептоны, взаимодействия между которыми описываются силами, существование которых обусловлено векторными калибровочными частицами – фотонами, промежуточными векторными бозонами и глюонами. Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света). Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью. Прибор, исследующий реальность, влияет на нее. Точное измерение возможно только в потоке частиц, но не одной частицы.

Особую роль в микромире играет вакуум, который в отличие от пустоты в классическом макромире обладает рядом новых свойств: колебаниями вакуума, разной симметрией и т. п., так что можно говорить о возможном существовании разных вакуумов.

1.2. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ

Понятие мегамира.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются световыми годами, а время существования объектов – миллионами и миллиардами лет. Основной чертой, определяющей принадлежность объекта к мегамиру, является использование общей теории относительности (ОТО) для описания его движения и существования. Такими являются звезды и их объединения – галактики. Часто к мегамиру относят и элементы звездных систем, т. е. планеты, кометы и др.

Основные концепции космологии. Вселенная – самая крупная материальная система. Ее происхождение интересовало людей еще с древних времен. Вначале Вселенная «безвидна и пуста» (Быт.,1,2) – так сказано в Библии. Вначале был вакуум – уточняют современные физики. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ждет ее в будущем? Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи? На эти другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания ХХ в. не позволяют дать исчерпывающие ответы.

Тем не менее, к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя провести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Происхождение Вселенной. Все наши знания о Вселенной происходят из наблюдений. Единственным источником информации является свет, пришедший из дальних миров. Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Вселенную в целом изучает космология (т. е. наука о Космосе). Слово это не случайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность Хаосу – «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной как едином целом. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей.

Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Поэтому космология связана с общей теорией относительности, поскольку во Вселенной приходится иметь дело с огромными расстояниями, скоростями и огромными массами.