Концепции современного естествознания (стр. 16 )

Научная деятельность Резерфорда посвящена исследованиям в области радиоактивности, а также атомной и ядерной физике. Здесь он совершил революционные открытия, полностью изменившие представления о структуре атома и строении вещества. В 1899 году при изучении распада радия им были открыты два вида излучений – альфа и бета, а также новый газообразный радиоактивный элемент – радон (эманация радия). В 1902 году (совместно с Ф. Содди ()) Резерфорд разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений химических элементов, в 1903 году экспериментально доказал, что альфа-лучи имеют положительный заряд. В том же году предсказал существование трансурановых элементов, которые, по его представлениям, должны быть радиоактивными. Эти работы были отмечены Нобелевской премией по химии за 1908 год.

В 1908 году Резерфорд и его ученик Ганс Гейгер () сконструировали газоразрядный счетчик для регистрации отдельных ионизирующих частиц (т. н. счетчик Гейгера), при помощи которого было доказано, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Используя явление сцинтилляции (вспышки света) при соударении альфа-частицы с поверхностью, покрытой сернистым цинком, Резерфорд изучил закономерности рассеяния различными атомами альфа-излучения, испускаемого препаратом радия, при прохождении их через тонкие слои различных веществ. Это привело Резерфорда в 1911 году к эпохальному открытию – отныне атом перестал быть неделимой частицей материи, а стал объектом, обладающим сложной структурой, напоминающей строение Солнечной системы – т. н. планетарная модель атома.

Именно это открытие произвело настоящий переворот в многовековых представлениях о мире, сравнимый по последствиям с гелиоцентрической революцией Коперника-Кеплера, и стало началом новой эры в естествознании и философии – эры неклассической науки. Бором с помощью квантовой механики, планетарная модель атома на долгие годы стала одной из самых продуктивных научных теорий как в фундаментальном, так и в прикладном отношении, подняв на новый теоретический и экспериментальный уровень спектроскопию, химию, биохимию, генетику и т. д.

В 1914 году Резерфорд открыл протон, и это позволило ему уточнить представления о строении атомного ядра, сопоставляя количество протонов в ядре и порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Пытаясь объяснить на основе существующей теории причину устойчивости ядер, содержащих большое количество одинаково заряженных частиц (протонов), Резерфорд в 1920 году предположил, что должна существовать ещё одна частица, не имеющая электрического заряда, которая могла бы выполнять роль скрепляющего агента. Эта нейтральная частица – нейтрон была открыта его учеником Дж. Чедвиком в 1927 году. Большой вклад Резерфорд также внес в теорию ядерных реакций. Ещё в 1919 году он (совместно с Ф. Содди) осуществил первую искусственную ядерную реакцию, в которой элемент азот при облучении альфа-частицами превращался в кислород с вылетом протона: 7N14+a Þ 8O17+p (вожделенная средневековыми алхимиками трансмутация элементов), и тем самым заложил основы физики атомного ядра. В 1933 году совместно со своим учеником, австралийским физиком М. Олифантом, Резерфорд доказал справедливость соотношения между массой и энергией в ядерных реакциях, вытекающего из теории относительности.

Эрнест Резерфорд создал большую научную физическую школу, многие представители которой стали Нобелевскими лауреатами, его собственные открытия получили беспрецедентный резонанс, а научные заслуги в области физики сделали его членом всех академий мира. Будучи одним из крупнейших ученых классического периода развития науки и ещё оставаясь в значительной степени в русле классической естественнонаучной и философской парадигмы, он тем не менее, своими выдающимися исследованиями открыл новую страницу в истории познания мира.

Симметрия – одно из фундаментальных свойств физических предметов и геометрических фигур и тел, допускающее такие преобразования, при которых эти объекты выглядят так же, как и до преобразований. Для системных объектов, состоящих из более или менее эквивалентных элементов, симметричными будут такие преобразования, при которых сохраняется первоначальная структура данной системы в целом. Эти преобразования обеспечивают сохранение совокупности как самих элементов и частей системы, так и соотношений и связей между ними, в которых они состояли до выполнения преобразований. Многие структуры обладают такими элементами симметрии, как: зеркальные отражения (т. н. четность), повороты вокруг осей вращения, пространственные (трансляционные) и временные сдвиги и т. д. При описании физических процессов эти типы симметрии соответствуют симметричной противоположности положительных и отрицательных электрических зарядов, выражаются законами сохранения энергии, количества движения и момента импульса, а также соответствуют обратимости во времени любых динамических процессов, т. е. утверждают принцип инвариантности законов физики относительно таких преобразований координат, или в более широком смысле – представляют симметрию физических законов. Аннигиляция частицы и античастицы, рождение электрон-позитронной пары и некоторые другие явления микромира также представляют собой особое проявление симметрии. Однозначность связи тех или иных законов сохранения с соответствующими типами симметрии доказана в т. н. теореме Нётер, - и это является фундаментальным свойством материального мира.

Симметрия различного типа проявляется в пространственном строении молекул химических соединений, кристаллов, биологических объектов. В мире, например, широко представлена зеркальная симметрия, весьма строгая в неживой природе (кристаллические формы) и приблизительная у живых объектов (тело человека и животных, листья и плоды растений и т. д.).

Согласно принципу, сформулированному выдающимся французским физиком Пьером Кюри (1859 – 1906), симметрия следствий обычно не меньше, чем симметрия причин, тогда как асимметрия порождается предшествующей асимметричной структурой. Возможно (но гораздо реже, чем симметрия из симметрии) возникновение асимметричных форм из предыдущего симметричного, но внутренне нестабильного, состояния какой-либо системы, когда присущая ей скрытая неустойчивость приводит к спонтанному нарушению симметрии, а осуществившееся состояние (нуклеация), в силу различных причин разрастается и необратимо самоорганизуется в новую, уже несимметричную, структуру. В микромире существуют процессы, также объясняемые спонтанным нарушением симметрии, - это возможно в системах, характеризующихся очень большим (практически бесконечным) числом степеней свободы, - это, например, квантовый вакуум, ферромагнетики и т. п. Этот подход лег в основу квантовой теории сверхпроводимости, ферромагнетизма, электрослабого взаимодействия.

В 1964 году последовало еще одно доказательство нарушения зеркальной симметрии на самых глубоких уровнях микромира – несохранение комбинированной четности при распаде короткоживущего нейтрального «ка»-мезона, причем попутно выяснилось, что частицы и античастицы нарушают симметрию не противоположно друг другу, как предполагалось вначале, и не в равной степени, как следует из общих представлений о свойствах «антиматерии» (американские физики, Нобелевские лауреаты, и Дж. У. Кронин). Таким образом было установлено исключительно важное явление природы – асимметрия между веществом и антивеществом. Хотя величина этого эффекта чрезвычайно мала (109+1 частиц на 109 античастиц), роль его в происхождении Вселенной огромна, поскольку именно он обусловливает то количество вещества во Вселенной, которое осталось после почти (но все-таки не совсем!) полной аннигиляции материи во время Большого взрыва, следами чего служит реликтовое излучение.

Известно, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовой молекулы ДНК. Однако, симметричного ей левовинтового варианта в природе вообще не существует, несмотря на то, что никакие фундаментальные физические законы не запрещают образование таких структур. Это также один из примеров спонтанного нарушения симметрии, который показывает, что реальные структуры, возникающие в процессе самоорганизации, могут быть асимметричными, тогда как лежащие в основе всех процессов фундаментальные физические взаимодействия симметричны. Таким образом, пространственная структура всех видов неживой материи и высших иерархических уровней живого в целом симметрична, т. е. нет никаких значительных отклонений правого от левого, тогда как для элементарного уровня живого вещества и для органических молекул всегда характерна асимметрия. Так, органические соединения, существующие в природе и создаваемые живыми организмами (сахара, белки, аминокислоты и т. п.), представлены только какой-либо одной (сахара – правовращающей, аминокислоты – левовращающей) пространственной конфигурацией, причем обратные структуры этих веществ, произведенные искусственно и химически полностью тождественные, живой организм усваивать не будет.

На это свойство молекулярных структур, связанное с деятельностью живого вещества (т. н. киральность), обращали внимание и П. Кюри как на важнейшее и принципиальное отличие живой материи от неживой, выдающийся французский микробиолог Луи Пастер указывал на асимметрию как на важнейшее отличие живых структур от неживых. «Факт, установленный Луи Пастером и объясненный Пьером Кюри, - пишет академик , - получил название закона Пастера-Кюри. Он носит совершенно фундаментальный характер. … Если вещество не поляризует свет, оно заведомо не может быть живым. … Сегодня в руках ученых есть довольно много вещества космического происхождения. Это и остатки метеоритов и некоторое количество лунного грунта. И всё это вещество не обладает какими-либо признаками дисимметрии – оно свет не поляризует». Этот факт, считает ученый, является доказательством того, что в ближнем космосе нет достоверных следов жизнедеятельности живых организмов и, следовательно, «одним из важнейших аргументов в пользу гипотезы о том, что земная жизнь имеет чисто земное происхождение».

Одно из важнейших открытий ХХ века в области психологии и нейрофизиологии состоит в том, что человек обладает асимметрией свойств правого и левого полушарий мозга, - коротко говоря, левое полушарие в значительной мере играет роль доминантного, оно «обеспечивает» рационально-логический, «грамматический» тип мышления, управляет речью и движениями правой руки, тогда как правое – создает пространственные образы внешней реальности, создает ориентацию в реальном времени и «отвечает» за образно-художественное, наглядное отображение мира.

Таким образом, представление о симметрии является одним из самых фундаментальных архетипов упорядочивания хаоса окружающей природы, ставший в постнеклассической науке важнейшей и продуктивнейшей категорией познания микромира, мегамира и мира человека.

Систематика – раздел биологии, который занимается описанием, обозначением и классификацией живых (а также вымерших) организмов по группам (т. н. таксонам). Научная классификация также называется таксономией. «Основные задачи систематики – определение посредством сравнения индивидуальных и специфических особенностей каждого вида и надвидовых таксонов, выяснение их частных и общих свойств. Систематика стремится создать всеобщую и естественную систему органического мира, выявить соподчинение таксонов различного ранга – от вила до систематического царства, определить место каждого вида живого в этой системе» ().

Существующую в биологии иерархию живых организмов таксономически можно представить так:

Царство – высшая таксономическая категория классификации в систематике живых организмов. По современной систематике, весь мир живого делится на четыре царства – бактерии и сине-зеленые водоросли, грибы, растения, животные. Царство животных состоит из типов, объединяющих классы и т. д. В более детальном представлении выделяют подцарства и надцарства.

Тип – таксономическая категория в систематике животных, объединяющая близкие по происхождению классы. Все представители одного типа имеют одинаковый план строения. Типы отражают основные ветви филогенетического древа животных. Существуют типы простейших, губок, кишечнополостных, несколько типов червей, моллюски, членистоногие, иглокожие, хордовые. К последнему типу принадлежит класс млекопитающих. Все типы объединяются в царство животных.

Класс – одна из высших таксономических категорий в систематике животных и растений, объединяющая родственные отряды животных и порядки растений. Например, отряды хищных, грызунов, насекомоядных, травоядных и т. д. составляют класс млекопитающих. Существуют такие классы, как: млекопитающие, рыбы, земноводные, ракообразные, пресмыкающиеся, птицы, насекомые и т. д. Классы, имеющие общий план строения и общих предков, образуют типы животных и отделы растений.

Отряд – таксономическая категория высокого ранга в систематике животных, объединяющая родственные семейства. Существуют отряды сумчатых, насекомоядных, рукокрылых, грызунов, хищных, приматов, хоботных, китообразных, ластоногих, копытных и др. Например, в отряд хищных входят семейства кошачьих, куньих, псовых, енотовых, гиены, медведи и т. д. Близкие отряды животных составляют класс.

Семейство – категория в биологической классификации, включающая близкие по происхождению роды. Иногда дополнительно вводится ранг подсемейства. Например, семейство кошачьих включает 4 рода с 37-ю видами, среди которых лев, тигр, барс, гепард, леопард, рысь, пума, дикая кошка и т. д. Близкие семейства в царстве животных объединяются в отряды, а в царстве растений – в порядки.

Род – таксономическая категория в систематике растений и животных, объединяющая близкие по происхождению виды. Например, род кошек включает разные виды (всего 29) такие, как камышовая, лесная, персидская, бенгальская, бесхвостая, рысь, манул и т. д. Близкие роды объединяют в семейства, близкие семейства – в отряды.

Вид – качественно обособленная форма живых организмов, основная единица эволюционного процесса. Как таксономическая категория вид выступает в качестве основной структурной единицы, принятой для классификации в систематике живых организмов.

Для обозначения видов употребляется бинарная номенклатура, разработанная и предложенная в 1735 году выдающимся шведским естествоиспытателем Карлом Линнеем (1707 – 1778). Вид определяется как совокупность популяций особей, способных к скрещиванию, дающему потомство, также способное к размножению. Внутривидовые совокупности особей обладают общими морфологическими признаками и физиологическими характеристиками, хотя могут и различаться в деталях (по фенотипу). Они населяют некоторый определенный ареал и обособлены от других популяций (внутривидовая обособленность) взаимными различиями и нескрещиваемостью в природных условиях. (См. также: Популяция, Экология).

Тейяр де Шарден Мари-Жозеф Пьер (1881 – 1955) – выдающийся французский ученый и католический мыслитель – философ, биолог-эволюционист, антрополог, один из выразителей антропно-космологического принципа и провозвестник эволюционной системно-синергетической парадигмы. Антропология Тейяр де Шардена не ограничивает человека земными рамками, - в его учении человек приобретает статус фундаментального паттерна общекосмического масштаба, становится системообразующим элементом всего универсума, а его биологическая и когнитивная эволюция взаимосвязана как с реальностью земной биосферы, так и с процессами, определяющими саморазвитие всей Вселенной. Из этих представлений вытекает тейяровская методология познания мира и человека и соответствующие ей принципы научной рациональности. «Мы вынуждены рассматривать человека как ключ Универсума по двум причинам, - писал ученый. Прежде всего субъективно, для самих себя, мы неизбежно центр перспективы. … Наши, даже самые объективные наблюдения целиком пропитаны принятыми исходными посылками, а также формами и навыками мышления, выработанного в ходе исторического развития научного исследования».

Поэтому в процессе познания достаточно сложных объектов природы очень трудно бывает отделить самого исследователя от предмета его исследований, причем любые попытки сделать это и как-то методологически обосновать, исходя из тех или иных критериев научной рациональности, чаще всего оказываются только видимостью и в целом несостоятельны, потому что познающий субъект не может быть внешним сторонним наблюдателем, а сам находится в этой системе, являясь её составным элементом. Объект и субъект, утверждает в этой связи Шарден, переплетаются и взаимопреобразуются в акте познания. «Волей-неволей человек опять приходит к самому себе и во всем, что он видит, рассматривает самого себя». Во-вторых, замечает он, если человек центр перспективы, то он же одновременно и «центр конструирования Универсума. Поэтому к нему следует в конечном итоге сводить всю науку. И это столь же необходимо, сколь и выгодно. Если поистине видеть – это существовать полнее, то давайте, - писал ученый, - рассматривать человека – и мы будем жить полнее».

Будучи последовательным эволюционистом, Тейяр де Шарден отвергал традиционный геометрический антропоцентризм как пережиток «статического» периода развития познания. Отводя человеку центральное место в космосе и отмечая уникальность его роли как носителя высшей формы самоорганизации материи – сознания и мысли, - он видит вселенского человека не в завершенном окончательном «высшем» состоянии, а рассматривает его только в постоянной динамике, в непрерывном становлении и саморазвитии, в процессе ноогенеза и космогенеза. Этот идеал человека в представлениях Шардена выглядит вполне "синергетически" – как целеобразующий аттрактор, к которому притягивается генеральная траектория эволюции Вселенной. «Человек – не статический центр мира, как он долго полагал, а ось и вершина эволюции, что много прекраснее», - писал ученый.

Процесс саморазвития космической материи Тейяр де Шарден воспринимает только в системном единстве всех элементов мира, включая сознание. «История сознания и его место в мире, - утверждает он, - будут непонятны тому, кто предварительно не увидит, что космос, в котором находится человек, благодаря неуязвимой целостности своего ансамбля образует систему, целое и квант. Систему – по своей множественности; целое – по своему единству; квант – по своей энергии, - и всё это внутри неорганического контура». В этом аспекте его отношение к миру и к способам его познания («Существует лишь один реально возможный способ познавать мир – это брать его как блок, весь целиком») вполне соответствует постнеклассическим системным представлениям, типа «бутстрэпа» или нелокальности. «Каждый элемент космоса, - писал Шарден, - буквально соткан из всех других элементов: снизу он создается таинственным явлением "композиции", представляя собой как бы вершину организованной совокупности; сверху – воздействием единств высшего порядка, которые, охватывая его, подчиняют его своим собственным целям. Невозможно разорвать эту сеть и выделить из неё какую-либо ячейку без того, чтобы эта ячейка не распустилась со всех сторон и не распалась».

Классическое редукционистское сознание для удобства изучения и в силу своих ограниченных возможностей рассекает эту целостность на отдельные элементы так, «как если бы мы могли отделить от неё один фрагмент и изучать этот образец вне всего остального». Однако, заявляет Шарден, «пришло время заметить, что этот прием совершенно искусственный. Взятая в своей физической конкретной реальности, ткань универсума не может разрываться». Можно в целях анализа разбить целое на отдельные части и рассматривать в первом приближении те или иные фрагменты Вселенной – элементарные частицы, атомы, планеты и т. д. как отдельные области или зоны космоса, но, как замечает Шарден, эти многочисленные части и зоны космоса на самом деле неразрывны и самосогласованны, - они сами «охватывают одна другую, не повторяют друг друга, так что никак невозможно перейти от одной зоны к другой путем простого изменения коэффициентов».

Структуры и порядок большого и малого не обладают простым подобием и несоизмеримы, каждый атом или любой другой элемент космоса сопряжен всему пространству, но его нельзя воспринимать как отдельную ячейку Вселенной, - «Ячейка универсума – это сам универсум. … Атом – уже не замкнутый микроскопический мир, как это мы, возможно, воображали. Он – бесконечно малый центр самого мира».

Вот в такой самосогласованной, взаимосвязанной и взаимопроникающей «бутстрэпной» системе, определяющей глубинную структуру физической реальности природы, возникает как результат внутренних процессов самоорганизации материи сначала примитивное живое вещество, затем образуются его более или менее усложненные и разнообразные формы, но процесс восходящей эволюции продолжается и, наконец, порождает разумную форму материи, роль которой уже не ограничивается земным локусом, а выходит в космическую сферу. Все эти последовательные и закономерные стадии развития неживой материи и её физические и химические свойства, согласно антропно-космическим взглядам Шардена, так или иначе соотносятся со свойствами и характером саморазвития высших форм эволюции универсума и взаимоопределяются друг другом, подчиняясь фундаментальным алгоритмам эволюции Вселенной.

«Мы беспрерывно прослеживаем последовательные стадии одного и того же великого процесса, - писал Тейяр де Шарден. – Под геохимическими, геотектоническими, геобиологическими пульсациями всегда можно узнать один и тот же глубинный процесс – тот, который, материализовавшись в первых клетках, продолжается в созидании нервных систем. Геогенез переходит в биогенез, который, в конечном счете, не что иное, как психогенез… Психогенез привел нас к человеку. Теперь психогенез стушевывается, он сменяется и поглощается более высокой функцией – вначале зарождением, затем последующим развитием духа – ноогенезом».

Главным философским итогом всей жизни Пьера Тейяр де Шардена, где он обосновывает свои идеи, разворачивает широкую панораму становления человека разумного в земной биосфере и очерчивает ещё более грандиозные перспективы его ноосферной космической эволюции, стали его труды «Феномен человека» и «Божественная среда». Это исключительно оригинальное и возвышенное учение о процессе саморазвития человечества как биологического вида, направленного от низшей стадии животного существования (сначала в качестве одного из элементов единой и взаимосвязанной системы – земной биосферы) к высшей стадии эволюции – к достижению уровня космического сознания (когда человек в ранге единого коллективного разума становится важнейшим элементом всей Вселенной) ставит Тейяр де Шардена в один ряд с крупнейшими представителями русской космической философии. В этом учении о восходящей эволюции живого вещества от примитивных организмов до высших форм, носителей божественного сознания, (стадии развития – преджизнь, жизнь, мысль и сверхжизнь) выражается идея о том, что человечество способно осуществить высший синтез биологического и духовного начал, создать гармоничную среду обитания, сохраняющую в целостности всё неповторимое своеобразие и всю полноту биосферы, и непрерывно развиваясь к высшим формам духовности, воплотить в реальность т. н. феномен человека как высший замысел, осуществленный в Универсуме (христианский вариант учения о переходе биосферы в ноосферу).

Согласно представлениям Шардена, цель эволюции человека как биологического вида состоит в постепенном формировании на Земле в результате его разумной творческой деятельности, одушевленной христианской верой, т. н. божественной среды – такого состояния среды обитания, в которой биологическая природа человека, его мысль и дух находились бы в гармонии и единстве. По его мнению это может произойти (но совсем не обязательно, - «Величие или рабство? – Всё решает проблема действия») в результате естественного последовательного процесса – сначала физической, химической, а потом биологической эволюции материи, а далее – восходящей эволюции человека от животно-биологической предыстории его развития до интеллектуальной стадии его ноогенеза и, наконец, до совершенно особого состояния – духовно-божественной вершины его космогенеза (достижение точки Омега в его терминологии).

Это состояние будет достигнуто тогда, когда произойдет «смерть материально исчерпавшей себя планеты и разрыв ноосферы», - образ конца света в учении Шардена. Однако человечество, идущее по ноосферному пути, будет готово к этому завершению чисто земной формы жизни, поскольку сможет осуществить возможность перехода к своему новому состоянию – сверхжизни. Об этом новом состоянии человечества и двух возможных вариантах завершения эволюции ноосферы Тейяр де Шарден писал: «Я предполагаю, что нашей ноосфере предназначено обособленно замкнуться в себе, и что не в пространственном, а в психическом направлении она найдет, не покидая Землю и не выходя за её пределы, линию своего бегства». Однако возможен и другой выход – коллективное объединение и синтез всех индивидуумов в систему высшей сложности, которая способна преодолеть земное автономное существование и «покинуть свою органо-планетарную опору и эксцентрироваться к трансцендентному центру своей возрастающей концентрации», что согласно представлениям Шардена, «возможно под совместным воздействием сферической кривизны Земли и космической конвергентности духа в соответствии с законом сложности и сознания. … Это единственный биологический выход, подходящий и мыслимый для феномена человека», - писал ученый.

Этот прорыв человечества в область космического сознания в чем-то аналогичен тому, который в своем учении рассматривал – образование в результате длительной эволюции новой, энергетически независимой, ипостаси человека, выход этих «эфирных существ» в открытый космос и переход к автотрофной стадии вечного существования во Вселенной. Как бы ни были утопичны такие идеи, они тем не менее, утверждают человека как высший смысл существования Вселенной (по крайней мере, как разумного наблюдателя, необходимого, по антропному принципу, для её реального существования). Но долговременное существование человека, как свидетельствует современная экология, невозможно без соблюдения ряда экологических условий (экологических императивов), которые способны обеспечить устойчивый процесс коэволюции, - а это, в свою очередь, определяется соответствующим уровнем ноосферного сознания человечества и его верой в свою космическую миссию. Поэтому, так же как и Вернадский, Тейяр де Шарден указывает, что «Самая суть понятия ноосферы – вера в призвание людей, которые должны изменить биосферу с помощью науки и техники».

Теорема Нётер – фундаментальная теорема математической физики, утверждающая, что существование любой конкретной геометрической симметрии (сдвиг, поворот, вращение и т. д.) в пространстве и времени для различных тел, систем материальных частиц или физических полей приводит к соответствующему закону сохранения физических величин.

Из этой теоремы вытекает и конкретная структура данного инварианта. Например, в механике из того факта, что все процессы протекают инвариантно (т. е. неизменно) относительно сдвига во времени, следует универсальный закон сохранения энергии. Это обстоятельство (сдвиг во времени) выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени, каждый из которых условно можно принять за нулевой (начало процесса). Из инвариантности процессов по отношению сдвигов в пространстве (что выражает равноправие всех точек и систем отсчета в пространстве) следует закон сохранения импульса или количества движения. Симметрия вращения системы вокруг своей оси, выражающая свойство равноправия всех направлений в пространстве, соответствует закону сохранения момента количества движения. Зеркальная пространственная симметрия, выражающая факт независимости протекания физических процессов при выборе обратной системы координат, соответствует квантовомеханическому закону сохранения четности и т. д.

Эту теорему доказала в 1918 году Эмми Нётер - известный немецкий математик. В дальнейшем её применение было расширено на квантовомеханические объекты и широко используется для построения т. н. групп симметрии в теории элементарных частиц. В большой степени, именно на основе анализа свойств той или иной группы симметрии были теоретически предсказаны многие элементарные частицы и их свойства и, наконец, последние «самые элементарные» – кварки, из которых, по известным и строгим правилам симметрии, «строятся» все остальные барионы, мезоны и гипероны. Из теоремы Нётер в самом общем виде следует, что такие абстрактные понятия, как пространство и время неразрывно связаны с конкретными проявлениями движения и взаимопревращения материальных объектов – частиц вещества и физических полей.

Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства и состояния термодинамических систем, закономерности фазовых переходов между ними как в равновесных условиях (равновесная термодинамика), так и в неравновесных (термодинамика неравновесных процессов). Термодинамика строится на основе трех фундаментальных принципов (эмпирических обобщений):

первое начало – количество теплоты, сообщенное системе, идет на увеличение её внутренней энергии и на совершёние ею механической работы (закон сохранения энергии). Сформулировано в середине 19-го века трудами Р. Майера, Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца;

второе начало – в изолированной системе энтропия либо остается неизменной (при идеальном обратимом процессе), либо возрастает и в состоянии теплового равновесия достигает максимума (закон возрастания энтропии). Сформулировано выдающимся немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году, обосновано методами статистической физики Л. Больцманом в 1872 году. Из него, в частности, следует невозможность самопроизвольного перехода тепла от холодного тела к более теплому и осуществления вечного двигателя.

Общепринятая развернутая формулировка второго начала (для макропроцессов) принадлежит известному немецкому физику-теоретику Арнольду Зоммерфельду: «Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом – система переводится в из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые к ней при этом порции тепла dQ, каждая из которых делится на соответствующую её абсолютную температуру To и все полученные таким образом значения суммируются S=S(dQi/Toi). При реальных (неидеальных) процессах, происходящих в замкнутых системах энтропия (см.) всегда возрастает».

третье начало – энтропия системы при стремлении температуры к абсолютному нулю (-273о Цельсия) не зависит от параметров системы и стремится к нулю (теорема Нернста-Планка). Нулевое значение энтропии соответствует состоянию абсолютного порядка в системе, когда фактически невозможны никакие, даже самые малые, флуктуации. Однако такие состояния не могут реализоваться в силу того, что квантовому вакууму присущи неустранимые флуктуации энергии, из чего вытекает недостижимость абсолютного нуля в реальных термодинамических процессах.

Ускорители заряженных частиц – установки для получения потоков элементарных частиц (протонов, электронов), а также некоторых ядер, имеющих высокую кинетическую энергию (многие десятки, сотни и, в последние годы, даже тысячи Мэв). Ускорение происходит за счет энергии электромагнитного поля (см.) передаваемой частицам. Существуют линейные и циклические (кольцевые) ускорители, позволяющие получать мощные направленные потоки частиц, ускоренных до субсветовых скоростей, при которых увеличение массы частиц из-за релятивистских эффектов достигает двух – трех порядков. Ускорители – важнейшие инструменты для исследований в области ядерной физики и физики элементарных частиц, с появлением и широким использованием которых связаны главные достижения и открытия в этих науках. Последним крупнейшим достижением в этой области было экспериментальное доказательство существования кварков (см.) – фундаментальных «кирпичиков» материи.

Исторически первым ускорителем был ускоритель американского физика Р. Ван-де Граафа (1901 – 1967), разработанный им в 1931 году, который используется и сейчас для ускорения тяжелых ионов и представляет собой высоковольтный электростатический генератор, создающий разность потенциалов в несколько мегавольт, достоинством которого является непрерывность действия и высокая стабильность. В 1929 году американский физик (1901 – 1958) выдвинул идею магнитного резонансного ускорителя – т. н. циклотрона, первый образец которого был запущен под его руководством в 1931 году (Нобелевская премия за 1939 год). При помощи циклотрона были выполнены исследования структуры атомного ядра, изучены многие ядерные реакции, получен ряд радиоизотопов и многое другое.

В начале 40-х годов был разработан индукционный циклический ускоритель электронов – бетатрон, а также импульсные линейные индукционные ускорители, где эффект ускорения достигается при передаче энергии вихревого электрического поля, создаваемого переменным магнитным потоком (как бы первичной обмоткой трансформатора), движущимся заряженным частицам, играющим роль вторичной обмотки. Бетатроны широко используются в науке и промышленности как источники мощного потока высокоэнергетических электронов, так и для получения интенсивных потоков тормозных гамма-фотонов широкого спектра высоких энергий.

В годах отечественный физик (1907 – 1966) и американский выдвинули и обосновали ряд идей, приведших к созданию т. н. синхрофазотронов, ускорителей протонов, позволяющих получать пучки частиц с чрезвычайно высокой энергией. Первый из таких ускорителей был пущен в Серпухове в 1972 году и ускорял протоны до энергий в несколько десятков миллионов Мэв (десятков Гэв), ускоритель, построенный в Батавии (США) в 1978 году показал результат 500000 Мэв (500 Гэв), ускоритель, работающий в ЦЕРНе (Швейцария), ускоряет протоны до нескольких тысяч Гэв, а гигантский ускоритель, строящийся в пустыне штата Невада (США) со сверхпроводящими обмотками электромагнитов, обеспечит, согласно расчетам, выход энергии, возникающей при столкновении двух, ускоренных в противоположных направлениях, пучков протонов, порядка 20000 Гэв. Это т. н. сверхпроводящий суперколлайдер (т. е. "столкновитель"). Диаметр кольца этой исполинской машины столь велик, что внутри могло бы поместиться маленькое европейское государство Люксембург.

Релятивистские эффекты при работе таких ускорителей становятся доминирующими и учитываются с помощью формул теории относительности, введенных в программы компьютеров, управляющих процессом передачи энергии от электромагнитов к потоку частиц. Энергетический выход в эксперименте можно увеличить (хотя и не так сильно, как в классической физике) при столкновении не ускоренного пучка частиц с неподвижной мишенью (как в стандартных условиях), а при столкновении двух встречных пучков ускоренных частиц (ускорители со встречными пучками). В самые последние десятилетия ХХ века начали ставить эксперименты со встречными пучками частиц-античастиц, еще многократно повышая этим энергию взаимодействия. Так в 1983 году были открыты очень массивные частицы – переносчики слабого взаимодействия, имеющие массу покоя порядка 80-90 масс протона, предсказанные в теории электрослабого взаимодействия С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэшоу (Нобелевская премия за 1979 год).