С формальной стороны, в физике принцип дополнительности связан с упомянутым уже ранее принципом неопределенности Δp, суть которого сводится к тому, что измерить одновременно с достаточно высокой точностью импульсы и координаты микрочастицы в принципе невозможно.
В более общей формулировке этот принцип звучит так: "В области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой".
Принцип дополнительности не ограничивается только этими моментами. Например, волновые и корпускулярные проявления света в поведении микрочастиц также являются взаимодополняющими и отражают реально существующий дуализм микромира. После посещения Н. Бором физического факультета МГУ на стенде появилось его высказывание: "Возникающие противоречия есть не противоположности, а дополнения".
Поскольку весь мир состоит из атомов и молекул, то любые особенности микромира не могут тем или иным способом не проявляться в макроэкспериментах. Поэтому идея дополнительности, первоначально сформулированная в физике применительно к микромиру, оказывается плодотворной в других областях знания.
С полным основанием Н. Бор говорил, что "идея дополнительности способна охарактеризовать ситуацию, которая имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающими из разделения субъекта и объекта". При этом очень часто попытка более детального изучения одной стороны объекта в полной аналогии с соотношением Гейзенберга (Δp) приводит к потере определенности в другой. А в более общей, близкой к гуманитарному подходу формулировке, кстати, данной тоже Бором, принцип дополнительности звучит так: "Дополнительной к истине является ясность".
Таким образом, целостный подход с учетом и физической, и гуманитарной ветвей культуры дает возможность более глубоко понять мир, может изменить даже идеологию, выяснить причины потрясений в обществе, столь неустойчивом в бурно меняющемся мире в конце XX века, когда человек часто теряет ориентацию в отсутствие стабильных критериев и ценностей и обоснованного научного объяснения всех происходящих в мире явлений.
Предполагалось, что пространство - абсолютно, однородно и изотропно, а время - абсолютно и однородно, т.е. использовались "строительные материалы" классической механики и евклидовой геометрии. Это, кстати, устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном так и во временном понимании. Бог создал и все!
В физике существует некоторое количество, казалось бы, простых, но фундаментальных понятий, которые, однако, не так-то просто сразу понять. К ним относятся пространство, время и вот теперь другое фундаментальное понятие - поле. В механике дискретных объектов, механике Галилея, Ньютона, Декарта и других представителей физического классицизма, все они были согласны с тем, что силы взаимодействия между дискретными объектами вызывают изменение параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса), меняют их энергию, совершают работу и т.д. И это в общем-то было наглядно и понятно.
Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут и без непосредственного контакта. В этом случае физика переходит от концепции близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к введению понятия поля.
Формальное определение этого понятия звучит так: физическим полем называется особая форма материи, связывающая частицы (объекты) вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие.
Однако физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и вводили для объяснения различных явлений такие модели как электрическую и магнитную "жидкость", для распространения колебаний использовали представление о механических колебаниях частичек среды - модели эфира, оптических флюидов, теплорода, флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения, и даже биологи вводили "жизненную силу" для объяснения процессов в живых организмах.
Все это можно охарактеризовать, как попытки описать передачу действия через материальную ("механическую") среду.
Однако работами Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Так что же такое поле?
Для более предметного понимания этого феномена лучше всего воспользоваться неким абстрактным представлением: поле - это любая физическая величина, которая в разных точках пространства принимает различные значения, надо просто рассматривать поле как математические функции координат и времени какого-то параметра, описывающего явление или эффект.
Пользуясь двумя понятиями потока и циркуляции, можно прийти к знаменитым четырем уравнениям Максвелла, которые описывают практически все законы электричества и магнетизма именно через представление полей. Там, правда, используются еще два понятия: дивергенция - расхождение (например, того же потока в пространстве), описывающая меру источника, и ротор - вихрь. Из этих уравнений вытекает, что электрическое и магнитное поля связаны друг с другом, образуя единое электромагнитное поле, в котором распространяются электромагнитные волны, со скоростью, равной скорости света c = 3 ∙ 108 м/с. Отсюда, кстати, и был сделан вывод об электромагнитной природе света.
Уравнения Максвелла являются математическим описанием экспериментальных законов электричества и магнетизма, установленных ранее многими учеными и во многом - Фарадеем, про которого говорили, что он не успевает записывать то, что открывает.
Надо заметить, что Фарадей сформулировал идеи поля, как новой формы существования материи, не только на качественном, но и количественном уровне. Любопытно, что свои научные записи он запечатал в конверт, просив вскрыть его после смерти. Это было сделано, однако, лишь в 1938 г. Поэтому справедливо считать теорию электромагнитного поля теорией Фарадея - Максвелла. Поскольку все тела в микро- и макромире являются так или иначе заряженными, то теория Фарадея - Максвелла приобретает поистине универсальный характер. В рамках ее описываются и объясняются движение и взаимодействие заряженных частиц при наличии магнитного и электрического полей.
Возвращаясь к общему понятию поля как некоторого распределения соответствующих величин или параметров в пространстве и времени, можно считать, что такое понятие применительно ко многим явлениям не только в природе, но и в экономике или социуме при использовании соответствующих физических моделей. Необходимо только в каждом случае убеждаться -обнаруживает ли выбранная физическая величина или ее аналог такие свойства, чтобы описание ее с помощью модели поля оказалось полезным. Заметим, что непрерывность величин, описывающих поле, является одной из основных параметров поля и позволяет использовать соответствующий математический аппарат.
Так, после механической картины сформировалась новая к тому времени электромагнитная картина мира. Ее можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной.
Отметим некоторые общие характеристики этой парадигмы. Поскольку она включает не только представления о полях, но и появившиеся к тому времени новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в периодической системе Менделеева и ряд других результатов по пути познания природы, то, конечно, в эту концепцию вошли также идеи квантовой механики и теории относительности.
Главным в таком представлении является возможность описать как можно большее количество явлений на основе именно понятия поля.
Было установлено, в отличие от механической картины, что материя существует не только в виде вещества, но и поля. Электромагнитное взаимодействие на основе волновых представлений хорошо описывает не только электрические и магнитные поля, но и оптические, химические, тепловые и механические явления. Методология полевого представления материи может быть использована и для понимания полей иной природы. Сделаны попытки увязать корпускулярную природу микрообъектов с волновой природой процессов. Было установлено, что "переносчиком" взаимодействия электромагнитного поля является фотон, который подчиняется уже законам квантовой механики. Делаются попытки найти гравитон, как носитель гравитационного поля.
Однако несмотря на существенное продвижение вперед в познании окружающего нас мира, электромагнитная картина все же была не свободна от недостатков. Так, например, в ней не рассматривались вероятностные подходы, и более того, по существу, вероятностные закономерности и вовсе не признавались как фундаментальные, сохранялся детерминистический подход Ньютона к описанию отдельных частиц и жесткая однозначность причинно-следственных связей
В целом такое положение понятно и объяснимо, так как каждое проникновение в природу вещей лишь углубляет наши представления и требует с каждым следующим шагом по пути постижения природы вещей создания новых адекватных физических моделей.
3. Современная космологическая естественно-научная картина
мира
Современное существование естествознания в ее фундаментальных основаниях не может быть ограничено лишь знанием закономерностей макро- и микро- миров. Если микромир есть своего рода "стартовая площадка" для "разгона" современной физики, то мегамир есть действительный "полигон" для развертывания этих закономерностей. В этой связи основополагающей системой представлений в качестве общепризнанной выступает так называемая теория Большого взрыва (Big Beng).
В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 10 миллиардов лет тому назад, когда все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели "Горячей Вселенной".
Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 г. нашим соотечественником, физиком Георгием Гамовым. В свое время Г. Гамов, блестящий теоретик (учился в ЛГУ вместе с Л. Ландау, Н. Козыревым), до Великой Отечественной войны был самым молодым членом-корреспондентом АН СССР, затем эмигрировал на Запад и в связи с этим обстоятельством научные достижения замалчивались советской официальной наукой.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
