5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания

5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания

5.1. Концепции пространство и время

В предыдущих главах приведен краткий исторический материал из области физического естествознания, который позволяет рассмотреть ряд фундаментальных основополагающих физических концепций, возникших в разные исторические эпохи — от древности до современности. Начнем с понятий пространства и времени.

Пространство и время, как определяют их философы, — всеобщие формы существования материи, не существующие вне материи и независимо от нее. Пространство — математическая, физическая и философская категория. Время — физическая (но сейчас даже общее — естественнонаучная, так как и геологи, и биологи, и представители других естественных наук обосновывают необходимость использования понятия времени в своих исследованиях) и философская категория, как форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений.

Исторически первым из математических пространств и наиболее известным издавна и в настоящее время является евклидово пространство, представляющее приближенный абстрактный образ реального физического пространства. Менее известны пространства Лобачевского, Римана, Гильберта, Жюлиа, Хаусдорфа, Мандельброта и другие. Вопрос о том, какое математическое пространство отражает общие свойства реального физического пространства, решается опытом (но так и не решено до сих пор — какое именно?).

Пространственно-временные отношения и закономерности — это очередной этап сложности реально (действительно) существующего мира, отношения, понимаемые первоначально на обыденном (созерцательном) уровне сознания, а в современную эпоху постигаемые на уровне научного сознания.

С античных времен наиболее известными были две концепции совместного рассмотрения пространства и времени. Одна из них идет от древних атомистов — Демокрита, Эпикура и Лукреция, позднее тщательно разработана Ньютоном, которые ввели понятие пустого однородного и бесконечного пространства, а время рассматривали как субъективное ощущение действительности. Другая концепция восходит еще к Аристотелю, разработана в Новое время Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Все они фактически придерживались идеи о заполненном мировом пространстве (без пустоты), то есть идеи о тождестве протяженной материи и пространства.

Ньютон представил понятия пространства и времени как особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Абсолютное пространство, или пространство само по себе, есть пустое «вместилище тел», оно неизмеримо и непознаваемо. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяженность тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определенные места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Положения тел и расстояния между ними можно определить только по отношению к другим телам. Время так же абсолютно, как и пространство, есть чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, а могут и не заполнять, ход событий не влияет на течение времени.

Время универсально, непрерывно, бесконечно, одномерно. От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное или обыденное время. Парадокс ньютонова пространства и времени состоит в том, что не существует опытов, которые позволили бы измерять положение тела в пространстве или момент времени события — экспериментально можно измерять только расстояния между телами или промежутки времени между событиями. Таким образом, чтобы сопоставлять пространству и времени какие-либо физические величины, мы должны выбрать некоторое тело, в качестве начала отсчета расстояний, и некоторый момент времени, в качестве начала отсчета его промежутков, что в конечном итоге ведет к необходимости введения некоторой системы отсчета. Вот с этого выбора и начинается ньютонова наука о движении — механика.

Согласно концепции Лейбница, пространство и время не есть самостоятельные начала бытия. Пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, сосуществующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. Протяженность любого объекта не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Что же касается самой природы времени как порядка сменяющих друг друга явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь.

В истории естественнонаучных представлений о времени, как отдельном феномене, можно выделить четыре его концепции, группируемых обычно попарно. Первая пара концепций времени расходится по вопросу о природе времени: 1) субстанциальная концепция рассматривает время как особую субстанцию, субстрат, наряду с пространством, веществом и другими физическими характеристиками; 2) реляционная концепция считает время отношением (или системой отношений) между физическими событиями. Вторая пара концепций времени выражает разные точки зрения на процесс становления времени: 1) статическая концепция считает события прошлого, настоящего и будущего существующими реально и в известном смысле одновременно, а становление и исчезновение материальных, физических объектов — это иллюзия, возникающая в момент осознания того или иного изменения; 2) динамическая концепция, напротив, считает, что реально существуют только события настоящего времени, события прошлого уже реально не существуют, а события будущего еще реально не существуют. Видно, что в этих концепциях смешиваются физика и философия и как трудна и неоднозначна проблема времени.

Укоренившиеся в науке ньютоновские представления о пространстве и времени изменились, когда в физическую картину мира вошла в конце XIX века концепция поля, как формы материальной связи между объектами вещества, поля, как особой и самостоятельной формы материи. Казалось, что для рассмотрения поля, тогда только электромагнитного, нужна особая среда — эфир, заполняющий мировое абсолютное пространство, но это не нашло ни тогда, ни сейчас достоверного опытного подтверждения.

Представления о новых свойствах пространства и времени получили новое развитие в научной дисциплине, получившей название специальная теория относительности, или релятивистская механика. Герман Минковский, развивая представления Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна о свойствах пространства и времени, заявил с трибуны съезда естествоиспытателей в 1908 году: «Воззрения на пространство и время… возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должно обратиться в фикцию и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Так им было установлено единство пространства и времени, их объединение в пространство-время с четырьмя (три пространственных и одна временная) измерениями или координатами. Академик Анатолий Логунов так определил сущность теории относительности, называя это утверждение постулатом: «Физические процессы протекают в четырехмерном пространстве, геометрия которого псевдоэвклидова» (иногда псевдоэвклидово пространство называют миром или пространством Минковского).

Теория относительности исключает представления о пустых (свободных) пространстве и времени, имеющих какие-то собственные измерения. Дальнейшее развитие теории относительности в виде теории тяготения или общей теории относительности, осуществленное Эйнштейном, показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс, от распределения материи (см. раздел 6 о космологии и космогонии). Таким образом, была доказана несостоятельность как воззрений Канта, определившего пространство и время как априорные формы человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и несостоятельность догматических воззрений Ньютона на абсолютное пространство и время.

5.2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения

Важнейший атрибут материи, способ ее существования — движение. В самом общем виде движение — «…это изменение вообще» (так утверждал немецкий философ Карл Маркс), любое взаимодействие материальных объектов. Здесь не следует подразумевать под термином «взаимодействие» только конкретные фундаментальные физические взаимодействия, о которых говорилось в предыдущих главах, а мыслить понятие взаимодействия шире, мыслить как философскую категорию, отражающую процессы воздействия объектов друг на друга и их взаимную обусловленность, порождение одним объектом другого. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы.

Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности, так что уместно отметить слова Аристотеля: «Незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы». Известное издревле механическое движение (перемещение) сужало и философское понимание движения до рамок механического, пока великий немецкий философ Георг Гегель не сформулировал наиболее общие законы изменения (движения) — закон перехода количественных изменений в качественные, закон борьбы противоположностей и закон отрицания отрицания.

Движение как понятие противоречиво по своей сути (вспомните хотя бы апории Зенона о движении), поскольку оно заключается в неразрывном единстве противоположных аспектов — изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютного и относительного, перемещения и покоя. В противоречивом единстве изменчивости и устойчивости, например, ведущую роль играет изменчивость, ибо все новое появляется через нее, а устойчивость, покой лишь фиксирует достигнутое в этом процессе. Движение как физическое явление происходит в пространстве и времени. Определив впервые в «Математических началах» эти понятия, а также объекты исследования, Ньютон далее определяет состояние физических объектов (тел) и законы движения. Введенная Ньютоном процедура создания (разработки) теории (описанная нами в 3.3) оказалась универсальной в науках: сначала определяются объекты как физические или другие естественнонаучные понятия в пространстве и времени, затем вводятся их состояния и, наконец, задаются или выводятся законы эволюции (изменения, динамики) этих состояний в указанном пространстве и времени.

Для науки оказалось важно, что уже первый ньютонов закон движения — закон инерции, выведенный из экспериментов еще Галилео Галилеем, выражен в явно относительной форме (хотя это первоначально не осознавалось и не проверялось). Состояния покоя и прямолинейного равномерного движения оказываются равноправными в зависимости от состояния движения тела (тела отсчета), с которого производится наблюдение. Так в физике возник классический, или галилеев (по предложению Пуанкаре), принцип относительности, первый в ряду принципов относительности. Сам принцип неосознанно появился в XVIII веке, а сформулирован был в начале XX века Анри Пуакаре!

Расширение понятия относительности возникло в связи с открытием электромагнитного поля (оно же свет), главной парадоксальной особенностью которого оказывается экспериментально подтвержденное распространение с постоянной скоростью (последняя, т. е. скорость света в пустоте, является также предельно возможной из всех известных скоростей). Совместное истолкование классического принципа относительности и принципа постоянства скорости света (отмечалось в предыдущем пункте как заслуга Германа Минковского, введшего в науку представление о четырехмерном пространстве — времени, о четырехмерном мире) — это и есть новый релятивистский принцип относительности. Основным понятием такого истолкования принципа относительности становится понятие мирового события, которое характеризуется местом (где) и временем (когда) оно происходит.

Анализируя ситуацию с релятивистским принципом относительности, академик Логунов сформулировал обобщенный принцип относительности, который приведен ниже.

«Какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), всегда можно указать бесконечную совокупность других систем отсчета, таких, что все физические явления в них протекают одинаковым образом с исходной системой отсчета, так как мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить на эксперименте, в какой именно системе отсчета, из этой бесконечной совокупности, мы находимся. Следует особо подчеркнуть, что любой физический процесс позволяет определить, находимся мы в инерциаль-ной или в неинерциальной системе отсчета. Однако никакой физический эксперимент не в силах дать ответ на вопрос: в какой именно системе из бесконечного набора систем отсчета мы находимся».

Третий принцип относительности возник в квантовой физике в связи с особенностями движения микрообъектов и упоминался нами ранее как принцип относительности к средствам наблюдения. Формулировка этого принципа, как и возникновение квантовой физики и ее представлений, послужили развитию нового этапа в науке — этапа неклассической науки, главный смысл которой состоит в неконтролируемом влиянии человека на результаты эксперимента, в потере прежней достоверной (лапласовской, детерминистской) предсказательности науки и замене ее на вероятностное предсказание.

5.3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма

В классической физике, являющейся, по существу, макрофизикой, формирование которой завершилось к началу XX века, научная картина мира сложилась из двух элементов (объектов) — частиц (корпускул) и полей (континуума). Частицы понимались как маленькие объекты материи, движущиеся по законам Ньютона. Каждая из частиц имеет 3 степени свободы (координаты), поскольку движение происходит в трехмерном евклидовом пространстве, и, если, кроме того, известна зависимость координат (местоположение) их от времени, то это однозначно определяет траекторию, так что имеется исчерпывающая (полная) информация о движении частицы. Описание полей (непрерывного континуального распределения какой-либо физической величины) значительно сложнее, поскольку надо задавать значения физической величины во всех точках пространства. Таким образом, для описания поля необходимо знать уже не 3 (как для материальной точки), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле (континуум) имеет бесконечное число степеней свободы. По этой причине значительно сложнее выглядят законы и уравнения полей, установленные Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом.

Указанное различие между частицами и полями: частицы — дискретны, поля — непрерывны, в классическом варианте науки оказывается не единственным. Так оказалось, что электромагнитное поле (оно же свет), представленное набором (пакетом) волн, может порождаться и поглощаться, в то время как материальным телам (представленным набором точек) возникновение и уничтожение чуждо. Помимо того, волны, накладываясь друг на друга, могут усилить, ослабить или вообще погасить себя, тогда как с потоками частиц такового не происходит. Встречаясь же между собой, частицы и волны остаются независимыми друг от друга, проявляют во все моменты времени свои, только им присущие индивидуальные черты.

Но положение об абсолютном их различии существенно изменилось, когда была высказана гипотеза Макса Планка о порции, кванте (как это было названо по-немецки) излучения. Вскоре эта гипотеза была обобщена Эйнштейном на акт поглощения, который дискретность излучения и поглощения связал с внутренними свойствами актов излучения и поглощения. В каждом из этих актов участвует квант поля — особая «частица», названная фотоном. Таким образом, полю оказались присущи черты дискретности, которые ранее приписывались лишь частицам. Подобно частице (корпускуле), фотон всегда существует как единое целое. Однако, наряду с корпускулярными, фотон обладает также более «родными», волновыми свойствами. Вот такое двуединое (дуальное), корпускулярно-волновое представление (корпускулярно-волновой дуализм) о кванте электромагнитного поля — фотоне — было распространено Луи де Бройлем на все виды материи и, в первую очередь, конечно, на электрон, главную частицу любого атома.

Все выше приведенные гипотезы получили экспериментальное подтверждение и породили то, что впоследствии стало называться (и сейчас называется) корпускулярно-волновым дуализмом, но главное — новую науку о законах движения и способах описания этого движения объектов микромира — квантовую (или волновую) механику. Важнейшей ее чертой, ее главной особенностью является идея вероятностного описания движения микрообъектов, то есть тех объектов, из которых состоят атомы и ядра атомов, в первую очередь, фотоны, электроны, протоны и нейтроны (за пределами атомов находится мир элементарных частиц, которому присущи свои специфические особенности). Особенность и специфичность описания движения микрообъектов такова, что позволяет знать (математически определить) вероятность обнаружения их в любой точке бесконечного пространства в любой момент времени. Это допускает возможность говорить как бы и о «точечности» микрообъектов, хотя о траекториях их в прежнем классическом смысле рассуждать уже нельзя.

Таким образом, проявившаяся в опытах дуальность свойств микрообъектов находит отражение в вероятностном способе квантово-механического описания, устраняющем резкую границу, разделявшую в классической теории два ее объекта — поля и частицы. Это вероятностное описание продиктовано корпускулярно-волновой природой микрообъектов, и его правильность проверена на огромном числе экспериментов. Кстати, великий Эйнштейн эту трактовку не принимал, говоря: «Бог не играет в кости», но вот ошибался ли гений или был прав, сейчас пока трудно сказать, но физики теперь предпочитают говорить так: «Бог играет в кости, но никогда не проигрывает!» По существу, это красивая отговорка, не более.

5.4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения

Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность) — одна из самых важных распространенных характеристик природы. В искусстве симметрия выступает как признак гармоничной композиции, в математике характеризуется как отражение (зеркальное), как свойство геометрических фигур, как инвариантность (неизменность) структуры объекта относительно его преобразований. Понятие симметрии выходит далеко за рамки физико-математического знания и, будучи органически связано с представлениями о сходстве, повторяемости, порядке, ритме, цикле, форме и т. п., восходит к самым истокам человеческой культуры.

Создание понятий «симметрия» и «асимметрия» приписывается современнику Пифагора — Гиппасу (VI век до н. э.). Пифагореец Гиппас термин «симметрия» — соразмерность, употреблял как синоним «порядка», «упорядоченности». Идеи симметрии и числовой гармонии были характерны не только для пифагорейцев и Платона, но содержались в концепции периодического возникновения и уничтожения космоса как у Анаксимандра и Анаксимена, так и в индийских ведах, в учении Анаксагора об уме как принципе красоты и порядка. Атомистика Левкиппа, Демократа и Эпикура с ее концепцией о пустоте — прообразе трехмерного бесконечного однородного и изотропного пространства — и геометричности атомов и амеров также существенно опиралась на идеи симметрии.

Другой, столь же фундаментальной идеей, характерной для античности, была идея сохранения свойств и объектов материального мира! Известно, что разнообразные натурфилософские учения, связанные с признанием той или иной материальной первоосновы мира, явно или неявно, содержали в себе идею сохранения материи. Более того, уже в античности была осознана глубокая взаимосвязь между понятиями симметрии и сохранения, причем именно в той форме, которую можно считать прообразом современного понимания этой взаимосвязи, связывающей законы сохранения со свойствами симметрии физических систем. В интересующем нас вопросе эта гениальная догадка была доказана выдающейся женщиной-математиком, немкой Эмми Нетер, только в 1918 году, то есть более чем через 2000 лет после ее появления! Теорема Нетер сыграла революционное значение в науке, поскольку в этот момент завершилось 300-летие господства динамического подхода в физических теориях, и к нему добавились, а точнее, ему (динамическому подходу) на смену пришли принципы» связанные с симметриями и законами сохранения в структуре физических теорий тех или иных величин. В этом единстве принципов (а сама теорема Нетер играет роль принципа структурной организации физических теорий, физических систем) главенствующая роль принадлежит симметрии, которая, с одной точки зрения, в значительной мере определяет форму динамического закона, а с другой, и в этом суть теоремы Нетер, определяет число и тип сохраняющихся величин. Исторический путь развития физики в XX веке подтвердил исключительную правильность отмеченных принципов.

В качестве примеров приведем несколько видов симметрии и соответствующих им законов сохранения. Фундаментальным видам пространственно-временной (геометрической) симметрии уравнений движения (ньютоновых, эйнштейновых, шредингеровых и дираковых), оставляющим в каждом случае инвариантной (неизменной) форму самих уравнений, соответствуют фундаментальные, наиболее известные законы сохранения величин в физических системах:

1. Симметрия по отношению к переносам во времени (сдвигам моментов времени) порождает закон сохранения энергии (проявление однородности времени).

2. Симметрия по отношению к переносам в пространстве (трансляциям, сдвигам начала координат из одной точки в другую) порождает закон сохранения импульса (проявление однородности пространства).

3. Симметрия по отношению к поворотам или вращениям в пространстве порождает закон сохранения момента импульса (проявление изотропности пространства).

Но имеется и другой класс симметрий, симметрий ограниченного действия. Классическая физика, обладая симметрией по отношению обращения знака времени или обратимости времени, фактически делает ее независимой от времени, что, конечно, парадоксально. Это позволило одному из историков науки, французу Александру Койре, назвать движение в классической динамике «движением, не связанным со временем, или, что еще более странно, движением, происходящим во вневременном времени — понятием столь же парадоксальным, как изменение без изменения» (курсив наш. — Авт.). Данная симметрия действует только в макромире, а вот в микромире уже нет. Зеркальная симметрия действует в микромире (тождество левого и правого) и порождает сохранение некоторого особого свойства, получившего название четность, которая приписывается каждой микрообъекту, например, так же, как электрический заряд. Если там же, в микромире, осуществить операцию так называемого зарядового сопряжения (то есть мысленно мир электронов заменить на мир позитронов, мир частиц — на мир античастиц), то это тоже не изменит законов природы. Два последних вида симметрии — зеркальное и зарядовое сопряжение — нарушаются при слабых взаимодействиях, обуславливающих распад большинства микрообъектов (например, нейтрона, покинувшего ядро атома).

Ограниченность проявления симметрий связана с иерархией симметрий. Не анализируя всей сложности возникающих ситуаций, только укажем некоторые из них: при взаимопревращениях микрообъектов сохраняется электрический заряд; при сильных взаимодействиях сохраняется величина, получившая название для барионов (тяжелых частиц) барионный заряд, сами барионы, за исключением сверхстабильного протона, рождаются парами; подобный закон сохранения действует и для лептонов (легких частиц); в ядрах атомов нейтрон и протон оказываются неразличимыми (но только в ядрах), то есть являются как бы одной частицей — нуклоном, эта симметрия имеет особое название — изотопическая инвариантность. Число примеров можно было бы множить, тем более, что вся вторая половина XX века прошла в теоретической физике под знаком господства так называемой калибровочной инвариантности как особого вида симметрии, которым обладает как электромагнитное поле, так и все другие физические поля микромира.

Суть калибровочной инвариантности состоит в том, что взаимодействующие тем или иным образом (электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым) частицы переносят это взаимодействие посредством некоторого, в каждом конкретном случае своего, особого поля. Эта особенность взаимодействия оказалась всеобщей и универсальной. В конечном итоге, поиски все новых симметрий «подарили», как мы отмечали, самые «элементарные» из всех частиц — кварки, что послужило основанием появления новой физики микромира, основанной исключительно на симметриях — квантовой хромодинамики.

5.5. Концепции физического вакуума

Обсудим, прежде всего, геометрический аспект проблемы. Мысль о том, что великая пустота (или вакуум) есть источник окружающего нас мира, уходит вглубь веков. Согласно представлениям древних мыслителей Востока (Китая, Индии), все материальные объекты возникают из пустоты, являются ее частью и, в этом смысле, иллюзорны. Вот диалог ученика и учителя о великой пустоте в древнеиндийских «Ведах»: «Ученик спрашивает: — Каков источник этого мира? — Пространство, — ответил учитель. — Поистине все эти существа выходят из пространства и возвращаются в пространство, ибо пространство больше их, пространство — последнее их прибежище». Важное место в натурфилософии древних греков занимало также понятие пустоты, без которой не могло мыслиться движение, но не как источник мира, как в древнеиндийских «Ведах».

Еще до наступления Нового времени итальянский философ Ф. Патрицци писал: «Итак, пространство есть то, что прежде мира и будет после него, что стоит во главе мира, из него исходит и, наконец, обращается в нечто… Разве оно тогда не является субстанцией? Если субстанция то, что лежит в основе, то пространство и есть, скорее всего, сущность».

Мы знаем, изучили ранее, что в классической физике используется понятие абсолютно пустого пространства («вместилища вещей»), которое можно считать синонимом вакуума классической нерелятивистской физики (то есть физики при скоростях объектов, много меньше скорости света). Физика, начало которой положила механика Ньютона, развивалась как теория измерения расстояний и моментов времени объектов (тел), движущихся относительно других материальных объектов (тел.). Полученные в результате измерений множества координат и времени подвергались обработке, чтобы получить траекторию и уравнения движения. Эта связь между геометрией пространства событий и механикой тел была уже замечена Ньютоном, который писал: «Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения». Таким образом, мы видим, что представления о пространстве и времени с XVII века связываются с экспериментальной проверкой, так же как и интересующее нас здесь понятие вакуума, в отличие от древних мыслителей, не проверявших своих воззрений. Так же, как и евклидова геометрия механики Ньютона, геометрия искривленных пространств, созданная Лобачевским, Гауссом и Больяи (гиперболическая) и Риманом (эллиптическая), в основе своей содержат физический опыт измерений.

В статье «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» Риман отмечал: «…Предложения геометрии не выводятся из общих свойств протяженных величин, напротив, те свойства, которые выделяют пространство из других мыслимых, трижды протяженных величин, могут быть почерпнуты не иначе, как из опыта» (и это пишет не физик, а математик!).

Еще большее сближение представлений восточных и европейских ученых мы находим в точке зрения на природу материи английского математика Уильяма Клиффорда, который в философской статье «О пространственной теории материи» прямо говорил, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося (возможно) закону непрерывности». По Клиффорду, материя — это сгустки пространства, своеобразные, холмы кривизны на фоне плоского пространства.

Идеи Клиффорда нашли свое развитие в работах Эйнштейна, которому удалось представить гравитационное поле через кривизну пространства-времени. Пустое, но искривленное пространство позволяет получить решения, которые подтверждаются на опыте. Среди них — эффекты смещения перигелия Меркурия, отклонение луча света в гравитационном поле Солнца, запаздывание радиосигналов в гравитационном поле. Эйнштейн безоговорочно верил в правильность выбранного пути: «Я считаю, далее, что уравнения гравитации для пустого пространства представляют собой единственный рациональный обоснованный случай теории поля, который может претендовать на строгость».

Рассмотрим теперь другой — «полевой» аспект физического вакуума, то есть путь, когда вакуумные представления уходят в квантово-полевую область материи или в мир элементарных частиц (микромир). Вакуум — это состояние, в котором реально отсутствуют какие-либо частицы, поля, волны, каком-либо материя (это тривиальное, классическое, обыденное представление о вакууме). В обычных условиях такое состояние обладает минимально возможной энергией. Реализацией такого представления о вакууме является пустое пространство, хотя, на первый взгляд, это бесперспективно. Новое, релятивистское представление о физическом вакууме получил английский физик Поль Дирак, когда рассмотрел поведение электрона в пространстве-времени Эйнштейна — Минковского. Он открыл в результате реальный мир античастиц, который является особым состоянием физического вакуума, ранее считавшегося лишенным какой-либо материи. Поразительным оказалось то, что квантовая физика преподносит «трюки» даже в отсутствии квантовых частиц.

Источник таких «трюков» — принцип неопределенности Гейзенберга. В какие-то очень малые, не фиксируемые приборами промежутки времени, энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все родившиеся частицы будут короткоживущими, так как израсходованная на них энергия должна быть «возвращена» через ничтожную долю времени. Тем не менее, частицы могут возникнуть из «ничего» (вот это и называют «вакуумом» современной физики), обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную картину невозможно предотвратить. Как бы мы не старались опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой частиц, возникновение которых «субсидируется» соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность «виртуальных частиц», аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова возвращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками. Вот, например, российский ученый Дмитрий Блохинцев писал: «Согласно этой точке зрения (детерминистическому подходу. — Авт.)» частицы являются лишь возбуждениями вакуума, который продолжает жить и тогда, когда никаких частиц нет; в нем флуктуирует электромагнитное поле… Это — не покой, а вечное движение, подобно зыби на поверхности моря… С этой точки зрения ясно также, что никаких изолированных, предоставленных самим себе («свободных», как говорят) частиц не существует. Даже в случае значительного удаления частиц друг от друга, они все же продолжают принадлежать породившей их среде, находящейся в состоянии непрерывного движения». Этим эффектом постоянного движения объясняются некоторые особенности поведения электрона в атоме водорода. Существуют и другие проявления этого удивительного свойства физического вакуума, в том числе, реальное рождение электрон-позитронных пар, зарегистрированное на экспериментах.

Еще разнообразнее возможные свойства вакуумного состояния полей при учете слабых, сильных и гравитационных полей. Укажем лишь, что эти свойства непосредственно связаны с такими представлениями современной теоретической физики, как спонтанное нарушение симметрии, асимптотическая свобода (для кварков), «пенная» структуры пространства-времени на малых (план-ковских) расстояниях (предполагаемая в мгновения до начала «большого взрыва»), испарение гравитационных «черных» дыр и др.

5.6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания

В качестве итога изложения концептуальных принципов и понятий физического естествознания, содержащихся в главах 3, 4 и в предыдущих пунктах, можно констатировать существование следующих фундаментальных принципов, представленных ниже с их кратким разъяснением.

1. Принцип относительности — закон, состоящий в том, что любой процесс протекает одинаково в изолированных инерциальных материальных системах, системах, покоящихся либо равномерно прямолинейно движущихся относительно друг друга. Принцип относительности утверждает равноправие всех инерциальных систем отсчета. Особо следует выделять принцип относительности к средствам наблюдения, устанавливающего связь макро- и микромиров.

2. Принцип распространения света — скорость распространения света в вакууме (пустоте) не зависит от скорости источника и является предельной для любых физических скоростей.

3. Принцип суперпозиции в классической физике — утверждение, состоящее в том, что результирующий эффект от независимых воздействий представляет собой линейную сумму эффектов от каждого воздействия в отдельности.

Принцип суперпозиции состояний в квантовой физике — утверждение, состоящее в том, физическая система может находиться как в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, так и в состояниях, описываемых любой линейной комбинацией этих функций. Принцип суперпозиции можно понимать как принцип линейных независимых наложений воздействий или состояний друг на друга.

4. Принцип корпускулярно-волнового дуализма (принцип волновых свойств материи) — утверждение, заключающееся в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы, молекулы и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул) и волн, количественные связи энергии, массы, импульса и частоты которых определяются соотношениями де Бройля.

5. Принцип неопределенности Гейзенберга — принцип квантовой физики, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (координата и импульс, энергия и время и др.) не могут одновременно принимать точные значения и не могут быть потому одновременно точно измерены. Количественная связь неопределенностей (погрешностей) в определении дополнительных величин ограничивается их произведением, равным или превосходящим постоянную Планка.

6. Принцип тождественности частиц (микромира) — положение квантовой физики, согласно которому состояния системы частиц (микрообъектов), получающиеся друг из друга перестановкой местами тождественных (неотличимых) частиц, нельзя различить ни в каком эксперименте, и такие состояния должны приниматься как одно физическое состояние. Из указанного принципа следует симметрия волновой функции системы тождественных частиц.

7. Принцип запрета Паули — закон природы, согласно которому в какой-либо квантовой системе тождественных частиц с полуцелым спином (например, электроны, протоны и др.) две или более частицы не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии (именно это запрещено — быть в одинаковом состоянии).

8. Принцип эквивалентности (гравитационной и инертной масс) — закон природы, который устанавливает аналогию между свободным движением тел, наблюдаемым в неинерциальной (ускоренной) системе отсчета, и движением тел в поле тяготения. Принцип утверждает эквивалентность ускоренных систем отсчета некоторому гравитационному полю.

9. Принцип дополнительности Бора — принцип, со гласно которому существуют две взаимоисключающие и дополняющие друг друга импульсно-энергетическая и пространственно-временная картины состояний микрообъекта, получаемые при взаимодействии его с соответствующими измерительными приборами. Одновременные точные данные о них невозможны.

10. Принцип соответствия Бора — утверждение, состоящее в том, что новая, более глубокая и общая теория, своими следствиями и выводами должна включать в себя старую теорию как предельный случай (например, релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях — классическую механику Ньютона и др.).

11. Принцип калибровочной инвариантности (компенсации) в теории полей — преобразование, задающее переход от одних значений, характеризующих поле величин, к другим, оставляющим без изменения физически определенные, наблюдаемые (измеряемые) на опыте параметры поля. Например, в электродинамике — переход от одних значений электрических потенциалов к другим, оставляющий без изменения значения напряженностей электрического и магнитного полей, плотность их энергии и т. д. Компенсация за такое преобразование сводится к появлению агента, переносящего то или иное свойство микрообъекта в пространстве и времени — например, агента взаимодействия электрических зарядов посредством (или в виде) электромагнитного поля или фотонов. Данный принцип является всеобщим (всеобъемлющим) принципом природы.

Нижеследующие принципы:

12. Принцип спонтанного нарушения симметрии и

13. Принцип перенормируемости являются характерными для мира элементарных частиц и связаны с методами их классификации на унитарной основе и исключения бесконечных величин, возникающих в квантово-полевых теориях.

Термодинамические принципы:

14. Первый принцип (первое начало) термодинамики,

15. Второй принцип (второе начало) термодинамики,

16. Третий принцип (третье начало) термодинамики,

17. Принцип минимума производства энтропии в достаточной полноте истолкованы нами в заключительной части данного пункта, тогда как основанный на них

18. Принцип необратимости (движения и времени) в естествознании еще только начинает формироваться и не имеет общепринятого толкования и осмысления.

Представленные выше фундаментальные принципы позволяют сформулировать основные выводы о физической природе материального мира частиц, полей и их систем. Ниже, в виде обобщающих положений, они приведены с указанием имен ученых, внесших определяющий вклад в их творение и осмысление.

Физика частиц и полей

1. Макромир состоит из дискретных и континуальных объектов — частиц и полей (волн) (Демокрит, Зенон Элейский, Дальтон, Фарадей, Максвелл).

2. Движение объектов относительно и сохраняется в отсутствие взаимодействий. Состояния покоя и равномерного прямолинейного движения неразличимы никакими физическими опытами (Галилей, Ньютон, Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Нетер).

3. Поля (свет, гравитация, в том числе) распространяются с постоянной предельной скоростью (Майкельсон, Морли, Эйнштейн), объединяя в единое многообразие пространство и время — в пространство-время (Минковский).

4. Корпускулярная (дискретная) и континуальная (полевая) форма материи в микромире дуально едина (де Бройль, Шредингер, Дирак), калибровочно-инвариантна (Лоренц, Янг, Миллс), имея проявлением неустранимую неопределенность их пространственно-временных и им-пульсно-энергетических состояний (Гейзенберг) и взаимопревращений друг в друга.

5. Разнообразные свойства всех микрообъектов квантованно минимизированы — электрический заряд (Милликен), спин (Гаудсмит, Уленбек), магнитный момент (Бор), изоспин (Гейзенберг), странность (Гелл-Манн), барионный заряд, аромат, цвет — и переносятся, передаются от одного к другому связывающими их агентами — фотонами, мезонами, векторными бозонами, глюонами (Планк, Эйнштейн, Тамм, Иваненко, Ферми, Юкава, Янг, Миллс, Гелл-Манн, Цвейг, Боголюбов, Матвеев, Фадеев, Салам, Вайнберг).

6. Искривленное пространство-время макро- и мегамиров (Клиффорд, Лобачевский, Риман) создано материей (Эйнштейн) и простирается (распространяется), расширяясь (Фридман, Хаббл), от предельно плоских (Евклид) локальных областей к предельно искривленным областям — черным дырам (Лаплас, Оппенгеймер, Снайдер, Пенроуз, Хокинг).

Физика термодинамических систем

1. а) внутренняя энергия систем в основном зависит от температуры и может совершать работу (Карно, Майер, Джоуль, Ленд, Гельмгольц) либо б) работа систем возможна за счет понижения температуры.

2. а) мера неупорядоченности (хаоса) системы, энтропия, остается неизменной только для обратимых процессов, возрастая при всех остальных (Клаузиус, Больцман) либо б) мера хаоса (энтропия) в системе нарастает в результате обмена с внешней средой, порождая необратимость движения и времени.

3. а) энтропия систем стремится к нулю при стремлении к нулю абсолютной температуры (Нернст) либо б) наивысший порядок в системе может быть достигнут при абсолютном нуле температуры.

4. Производство энтропии системой минимально в стационарном состоянии (Пригожин).

5.7. Физическое естествознание как целостная система знаний

Со времени Галилея и по настоящее время, физика, как правило, строится и излагается индуктивно, т. е. из огромного множества наблюдений и опытных фактов выбирается некоторое число свойств, их наиболее полно характеризующих, и вырабатываются основные понятия, в терминах которых формулируется физическая теория. Так, например, в физике Ньютона возник универсальный математический язык, получивший название гамильтонов формализм. На его основе были построены теория электромагнитного поля, общая теория относительности или теория гравитации Эйнштейна. Другими математическими средствами (на основе лагранжева формализма) и на другой физической основе, но также индуктивно, была обнаружена единая структура слабых и электромагнитных взаимодействий — электрослабое взаимодействие Вайнберга-Салама-Глэшоу.

Другой возможный путь построения физических теорий — дедуктивный, получивший в работах русского физика Ю. И. Кулакова и коллег название «теория физических структур».

Как известно, Н. Бурбаки (широко известный псевдоним знаменитой группы французских математиков) предложили программу построения математики как целостной системы знаний. Ими было показано, что в основании математики лежат три независимые порождающие структуры — алгебраическая, топологическая и структура порядка. Аналогичная проблема «бурбакизации» может быть поставлена и в физике. Смысл ее состоит в том, чтобы свести все многообразие фундаментальных физических величин, понятий и законов к одной универсальной физической структуре, раскрывающей скрытые симметрии мира физических объектов.

Физика была построена как сложная иерархическая система фундаментальных физических величин, понятий, законов, основных уравнений, общефизических принципов и т. п. Главные достижения физики мы видели всегда в уравнениях соответствующих ее разделов: в механике — уравнения Ньютона, в гидродинамике — уравнения Эйлера и Навье-Стокса, в электродинамике — Максвелла, в теории пространства-времени и тяготения — Эйнштейна, в квантовой механике — Щредингера и Дирака и т. д. Однако, сводя содержание различных разделов физики к соответствующим уравнениям, мы, сами того не замечая, рискуем лишить физику ее подлинного содержания. Главное содержание физики, как теперь выясняется, как было совсем недавно замечено Ю. Кулаковым, необходимо искать не на уровне уравнений, а на другом, высшем уровне, порождаемом особыми видами симметрий систем физических объектов.

Так, например, развитие теории элементарных частиц (физики высоких энергий) в последние 45 лет (с 1961 г.) обратило, в известном смысле, соотношение между уравнениями движения и группами симметрии. Теперь симметрия выступает на передний план как несущая самую фундаментальную информацию о системе. Таким образом, симметрия оказывается первичным, наиболее глубоким инструментом для физического описания природы.

В физике сегодня поставлен вопрос, который был задан Н. Бурбаки по отношению к математике: «Является ли это обширное разрастание развитием крепко сложенного организма, который с каждым днем приобретает все больше и больше согласованности и единства между своими вновь возникающими частями, или, напротив, оно является только внешним признаком тенденции к идущему все дальше и дальше распаду, обусловленному самой природой математики… Одним словом, существует в настоящее время одна математика или несколько математик?» Этот вопрос вправе может быть задан и физике.