В то же время радикальное противоречие с важнейшим принципом классической физической картиной мира – принципом центральных сил – вынуждало признавать активную роль среды, окружающей проводники или магниты, в том числе и физического «вакуума». Таким образом, становилось необходимым существенно изменить представление в физической картине мира, включив в неё принципиальную роль промежуточной среды.
Эрстед по существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход от механической картины мира к новой, электромагнитной.
В 1831 году М. Фарадей установил, что в момент изменения величины тока в одном контуре в расположенном рядом контуре на короткое время возникает электрический ток. В момент движения магнита около катушки в ней тоже на короткое время возникает электрический ток. Принципиально новым было здесь не только то, что процесс каким – то образом передавался через физический вакуум, которому приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым по сравнению с картиной мира классической физики было и то, что представления о постоянном воздействии одного тела на другое (как это было в случае тяготения или взаимодействия электрически заряженных тел) замещались представлениями импульсов или волн в момент изменения состояния одного из тел.
Электромагнитная концепция, которой захотели теперь заменить прежнюю, заключалась, прежде всего, в полнейшем отказе от всех образных представлений, от тех «механических моделей» без которых когда-то не существовало настоящей физики.
- Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира.
Там, где многие физики, пользовавшиеся теоретическими представлениями об электронах, взаимодействующих с электромагнитным полем, не видели проблемы. А. Эйнштейн видел принципиальную методологическую трудность.
Теория Максвелла была логически и методологически неполна по меньшей мере в двух аспектах:
- во-первых, она не совмещалась с фундаментальным принципом классической физики – принципом относительности, её уравнения не были инвариантными[4] относительно преобразований Галилея;
- во – вторых, как выяснилось, полевая картина мира (или, как её обычно называют, электромагнитная картина мира) оказалось недостаточным в качестве концептуальной основы нового этапа развития физики, ибо не позволяла с единой точки зрения объединить все рассматриваемые в теории процессы.
Таким образом, вопреки широко распространённой точки зрения есть основания утверждать, что надежда построить соответствующий раздел физики на основе электромагнитной картины мира не была осуществлена, хотя представления о такой картине мира активно обсуждались.
Революция в физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новой релятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательном развитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалось требованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, а также неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняя согласованность теоретических представлений электродинамики в острой форме появилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можно с уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физической картины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике.
Один из важных парадоксов состоит в следующем. Из очень общих представлений о свойствах пространства и времени, казавшихся очевидными в рамках механической картины мира, непосредственно вытекали формулы преобразования координат от одной системы к другой, движущейся относительно первой (преобразования Галилея, непосредственно связанные с его принципом относительности).
Как выяснилось, уравнение Максвелла не были инвариантными относительно преобразований Галилея, то есть к электромагнитным процессам галилеевский принцип относительности оказался не применим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движение объекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретических следствий с экспериментальными данными обескураживал физиков: в одних опытах (например, в явлении абберации, то есть кажущиеся смещения наблюдаемых в телескоп звёзд из – за движения Земли) эфир следовала считать абсолютно неподвижным; в других (например, в опытах по изменению скорости света в движущейся воде) – результат был таков, как если бы эфир частично увлекался движением воды.
В формулировке А. Эйнштейна принцип относительности приобрёл более богатое физическое содержание: «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того какой из двух координатных систем движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменения состояния…».
А. Эйнштейн в первой публикации по основам специальной теории относительности он вводит понятие физического события в качестве фундаментального элемента новой картины мира, замещающего образ материальной точки.
Во всех последующих работах Эйнштейн будет пользоваться идеализацией точечного пространственного – временного физического события как элементарного объекта теории, представляющего в теоретических моделях физическую реальность.
Физическая картина мира Галилея – Ньютона, в которой мир отображён как множество материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается в специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленной множеством точечных пространственно – временных материальных событий. Глубокое единство материи движения, движения, пространство, времени получило здесь концентрированное выражение: на место образов вещей ставились образы материальных процессов.
Специальная теория относительности предполагает существование материальных полей и материальных частиц, но изображает в теоретических моделях не частицы и поля непосредственно, а отношение между происходящими с ними событиями . В связи с этим можно сказать, что смысл теории относительности, отражённый в её наименовании, состоит не в том, что некоторые физические величины меняют численное значение при переходе к другой системе отсчёта (такие величины были в классической механики), а скорее в том, что эта теория отражает закономерности отношений между событиями .
Переход к новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключения из теории фиктивных образов, в первую очередь понятие эфира с механическими свойствами.
Образ эфира, понимавшегося в соответствии с представлениями механической картины мира, был замещён образом полевых процессов, выраженным с помощью идеализационных событий. По убеждению А. Эйнштейна, и специальная, и общая теория относительности основывается на полевых представлениях (поле и есть «эфир» в новом понимании).
Заключение.
Вопрос о неизбежной ограниченности естественно научных теорий специально рассматривался ученым физиком В. С. Барашенковым. Он убедительно доказывает, что возможность построения относительно "законченных теорий" (типа механики Ньютона, термодинамики, электродинамики Максвелла, квантовой механики, теории гравитационных полей Эйнштейна и др.), достаточно полно, описывающих различные формы движения материи, не означает возможности в одной или нескольких таких теориях полностью "перекрыть" весь мир, исчерпать все качественное многообразие законов природы. Каждая такая теория не учитывает многие параметры, второстепенные в данном приближении, но становящиеся важными при дальнейшем углублении в суть рассматриваемых явлений. Это и привод к неизбежной ограниченности сферы применения теорий. Возможность "законченных теорий" означало бы возможность конца науки, дальше которого нечего было бы познавать. И, наоборот, непреодолимая ограниченность каждой отдельной теории предполагает бесконечность всего научного познания. Известные науки, обобщающие теории составляют важные этапы её развития. Все они основаны на конкретных принципах, обобщающих определенный круг фактов, и допускают возможность и необходимость своего дальнейшего развития по пути создания все более общих и глубоких теорий, учитывающих новые, неизвестные ранее факты. Таков закон познания, обусловленный законами природы.
Введение.
Прежде всего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различные критерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время, когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далее кратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретических данных о структуре микрочастиц.
V.Проблема Элементарного.
В V в. до н. э. Анаксагор, по – видимому, первым высказал мысль о бесконечной делимости материи. Он представлял мир как совокупность бесконечного числа частиц – «гомеомерий» (подобочастных), каждая из которых в свою очередь состоит из неисчерпаемо огромного количества более мелких «гомеометрий» и т. д. без конца. При этом каждая из этих частиц содержит в себе свойства Вселенной, она «бесконечно велика» и, подобно целому, заключает в себе все существующее и сущее не просто бесконечно, но бесконечно бесконечно.
Иная точка зрения сформулирована, в учении Демокрита, считавшего, что мир состоит из бесконечного числа вечных, абсолютно неделимых, изначально простых частиц – атомов вещества и амеров – атомов пространства. Неисчерпаемое богатство свойств окружающего мира в такой картине реализуется благодаря бесконечному количеству различающихся по своим свойствам атомов (пирамидальных, круглых, гладких, крючковатых и т. д.), которые в силу присущей им твёрдости и непроницаемости определяют предел физической делимости вещества. Между атомами может быть лишь пустота.
Атом Демокрита – это не точка, а протяжённое тело, которое нельзя механически разделить на компоненты, но внутри которого мысленно можно всё же выделить различающиеся между собой части: верх, низ, правое, левое, середину и т.д. Эти минимальные пространственные части, или амеры, представляют собой «истинное неделимое», лишённое каких бы то ни было частей, не имеющие ни верха, ни низа, ни правой, ни левой стороны. Из амеров (квантов пространства, если говорить сегодняшним языком) состоит пустота, из различного числа амеров слагаются большие и малые атомы вещества. С современной точки зрения именно амеры («бесчастные»), они протяжённые атомы следовало бы рассматривать в качестве наипростейших элементов мира. Учение Демокрита было вершиной натурфилософских представлений о материальном превосходстве мира.
Острая критическая ситуация возникла на рубеже XIX и XX веков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана с его электромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой и энергией. Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы, вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновения материи, как «растворение» её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делался вывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальном доказательстве идеальной первоосновы мира.
- Какой объект можно назвать «самым элементарным».
На протяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли в качестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементами бытия считались некие чувственные «сущности» и «первичные идеи», - во всех случаях элементарное всегда понималось как то основное, неизменное и первичное, «из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как в последние они, погибая, превращаются»; при этом элементарное представляет собой «предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уже неделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, то получаются одного с ними вида части».
В течение длительного времени за наинизший известный уровень организации материи принимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевым периодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – то ещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарная частица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. В начале нашего века опыты Э. Резерфорда обнаружили сложную структуру атома, а вскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложное внутренние строение. В начале 30 – х годов были уже 5 частиц, входящих в состав атома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон, электрон – позитронная пара, протон и нейтрон . К настоящему времени число таких частиц достигло уже несколько сот и продолжает быстро возрастать. Оказалось, что свойства этих субъядерных частиц не проще, а, наоборот, сложнее, чем у атома и его ядра. Некоторые частицы – это ультракороткоживущие, почти эфемерные[5] образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететь лишь расстояние, равное радиусу ядра; другие частицы оказались неожиданно очень тяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовались совершенно новые понятия: спин[6] , гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, что субъядерный уровень необычайно бога и разнообразен.
Помимо того, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, они обладают ещё одним общим свойством. Попытки выделить среди них какие – то «более элементарные» объекты, из которых можно было бы построить все остальные, окончились неудачей. Оказалось, что каждая такая частица состоит сразу из всех других. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равной степени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря, напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элемента и где каждый элемент связан со всеми остальными.
Правда, недавние исследования внесли важную поправку в эту картину. Выяснилось, что среди субъядерных частиц имеются такие, которые следует рассматривать как возбуждённые состояния других частиц. Так, семейство J/y - частиц представляет собой спектр («лестницу») возбуждённых состояний, в котором высшие состояния переходят в низшие, с меньшим массами, путём распадов. Другим аналогичным примером является семейство e - частиц, члены которого также связаны между собой цепочками последовательных распадов.
Если исключить возбуждённые частицы – состояния, которые естественно считать более сложными объектами, чем соответствующие им основные невозбужденные частицы – состояния , то даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить о том, что конечные частицы являются более элементарными, чем распавшаяся, а тем более утверждать, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (дефект масс) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы – компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого, подобно тому, как это имеет место в атоме, в атомном ядре и во всех макроскопических объектах.
К группе элементарных относят в настоящее время все частицы, которые нельзя рассматривать как возбуждённые состояния других частиц любые возможные распады которых, как реальные, так и виртуальные происходят с дефектом масс.
В тоже время трудно возразить Н. И. Степанову, когда он отмечает, что «многочисленные известные сегодня микрочастицы не потому являются элементарными, что не допускают «деления» ни по какому признаку, что они «наиболее просты» а потому, что в рамках современных представлений все они, несмотря на различие свойств, могут рассматриваться как принадлежащие к одному качественно – специфическому уровню, определяющему предметную область физики элементарных частиц». Специфическою особенностью этого уровня по сравнению со всеми выше стоящими как раз и является большой дефект масс, уничтожающий индивидуальность объединяющихся частиц.
В литературе иногда обсуждаются другие критерии установления «степени элементарности», которые, по мнению их авторов, являются более универсальные. Например, Б. Я. Пахомов предлагает считать более элементарной ту частицу, «с которой связано меньшее число качественно различных форм движения», и более сложной ту, «которая включает в себя большее число форм движения». Развивая эту идею, П. М. Румлянский приходит к выводу о том, что «более элементарными при этом будут частицы нейтрина и фотон , способные вступать только одно взаимодействие … Нейтрино способен вступать в слабое, тогда как фотон – в электромагнитное взаимодействие. Более сложным… считается электрон, способный к вступлению как в слабое так и в электромагнитное. Ещё более сложные … p-мезоны … ». однако подобный подход трубно провести последовательно, так как, согласно современным представлениям, при высоких энергиях частицы должны участвовать во всех типах взаимодействия – электромагнитном, сильном[7] и слабом[8] , различие которых при этом становится уже не столь существенным, как при низких энергиях; если же не принимать во внимание всей области энергии то пришлось бы, например, признать электрически нейтральную частицу p - мезон более элементарной чем p+ и p- - мезоны, хотя эти частицы являются зарядовыми состояниями одного и того же изомультиплета[9] .
Иногда за критерий относительной элементарности предлагается брать число законов сохранения, которым подчиняется тот или иной объект. Так, по мнению А. А. Бутакова, более сложной элементарной частицей является та, которая подчиняется большему числу законов сохранения, поскольку более высокие формы движения связаны с большим количеством таких законов. Поскольку каждый закон сохранения соответствует вполне определённой симметрии, то предполагаемый критерий означает, что объект тем элементарнее, чем меньшей симметрией он обладает. В действительности дело состоит как раз на оборот: опыт науки показывает, что переход к более глубоким материальным структурам до сих пор всегда сопровождался открытием новых типов симметрии, которые «портятся» на уровне более высокоорганизованных форм движения и в лучшем случае становятся лишь грубоприближёнными. В ядерной физике больше симметрий, чем в электродинамике.
Проблема элементарности особенно осложнилось после того, как было установлено, что элементарные частицы хотя и не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле и поэтому действительно должны рассматриваться как элементарные, но в то же время обладают пространственной протяжённостью и сложной внутренней структурой. Элементарность и структурность оказались неразрывно слитыми в одном и том же объекте. Можно сказать, что каждый отдельный фрагмент структуры элементарной частицы несёт информацию о частице в целом, а
10-09-2015, 22:10