Концепции современного естествознания

3. Теории близкодействия и дальнодействия. Основные типы взаимосвязей и взаимодействия в природе.

                           Связь, взаимодействие и движение  являются атрибутами материи, без которых невозможно ее существование. Философское понятие «движение» как понятие о любом изменении материальных явлений конкретизируется   понятиями «взаимосвязь» и  «взаимодействие», раскрывающими механизм, структуру самого процесса изменения. Поэтому в естествознании познание материального мира означает раскрытие сущности различных форм взаимосвязей и взаимодействий. Без взаимодействия  невозможно существование любых материальных систем, включая, такую, сверх систему, как Вселенная. Невозможно и познание  любого объекта без взаимодействия с ним познающего субъекта, получающего в этом процессе информацию. Все выдвигавшиеся ранее предположения о возможности существования некоторых абсолютно изолированных систем со своим замкнутым пространством- временем (первые гипотезы о черных дырах)  оказались несостоятельными. Поэтому любое научное объяснение  явлений действительности требует знания механизма их внутреннего и внешнего взаимодействия.

                            История развития взглядов на природу взаимодействия противоречива. Так, Аристотель понимал взаимодействие, как одностороннее и непосредственное воздействие движущего тела на движимое; например, лошадь, действуя на телегу, движет ее, а телега, лошадь не движет. Отсюда вытекало его убеждение в отсутствии пустоты в мире, через которую действие не передается. Такая концепция близкодействия, утверждавшая, что взаимодействие возможно лишь при непосредственном  контакте взаимодействующих тел и, требующее для передачи силового действия на расстоянии, соприкасающихся материальных объектов, была развита в 17 веке Декартом, создавшим на основе такой механики свою вихревую космогонию.

                          Ньютон поправил Аристотеля, доказав  что  действие любого тела  на другое – это всегда и  действие второго на первое, т.е. взаимодействие. Однако, механическая картина мира  свела все виды взаимодействия на расстоянии - к гравитации, исходя из того, что через нее взаимодействие передается непосредственно, без каких-либо материальных посредников и мгновенно, с бесконечно большой скоростью. Так утвердилась концепция дальнодействия. Природа же самой гравитации осталась им не выясненной. Исследования, в начале 19 века, электрических и магнитных явлений (флюидов или особых жидкостей, как их тогда понимали) опровергали наличие пустоты. Так, возникла гипотеза электромагнитного поля как материального посредника, передающего взаимодействие, и появилась электромагнитная картина мира, в которой атомы  образуют  движущиеся в пространстве тела,  а  колеблющиеся электромагнитные волны - непрерывное и безграничное поле.

                          Механизм взаимодействия в новой  картине мира состоял в том,  что  тела, создавая вокруг  себя безграничное поле, взаимодействуют  с другими телами не непосредственно,  а через поля. Изменение любого тела возмущает его поле, которое с огромной скоростью, распространяясь в виде волны, достигает  других полей, изменяя состояние их тел. Дальнейшее развитие  теории взаимодействия окончательно утвердило концепцию близкодействия. Открытие корпускулярно-волнового дуализма привело к уточнению полевого механизма взаимодействий  в квантово-полевой механизм. Так как, поле включает в  себя кванты  (уплотнения), то взаимодействие через поле является процессом обмена квантами поля между взаимодействующими телами. Например, по закону Кулона два электрона взаимоотталкиваются, что квантово-полевая теория описывает как излучение кванта электромагнитного поля  (фотона) одним электроном и поглощение его другим.

                        Кванты, которыми обмениваются взаимодействующие  тела – не обычные, а виртуальные частицы, отличающиеся от реальных тем, что обнаружить их во время существования  невозможно. Обнаружить их можно лишь по тем результатам, к которым привело их взаимодействие. Квантово-полевое описание взаимодействия через обмен виртуальными частицами дополняет классическое описание его как полевого механизма. 

                         Типов взаимодействий в природе существует ровно столько, сколько существует типов полей. В популярной литературе упоминаются множества полей: биополе, энергоинформационное, силовое, торсионное и др. Опытно  подтверждено существование  всего четырех типов полей – переносчиков четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного.

                        Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам любой природы. Оно проявляется во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется тяготение земли, движение планет солнечной системы, структура галактик и метагалактик, Вселенной в целом. Гипотетический носитель – гравитон. Гравитационный заряд (мера способности тела участвовать во взаимодействии)  определяется массой тела и только положительный (нет антимасс). Радиус действия бесконечный. В микромире, так как массы элементарных частиц ничтожны, им можно пренебречь, но в мега-мире оно является определяющим.

                       Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями и возможно только между электрически заряженными телами. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле при их движении. Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет электростатическое и электродинамическое взаимодействия: либо притяжение, либо отталкивание. Электромагнитное взаимодействие преобладает в области масштабов от поперечника атома до высоты гор (несколько км) хотя радиус его действия бесконечен. Оно связывает электроны и ядра в атомы, атомы – в молекулы, молекулы - в тела. Сила упругости, выталкивающая сила Архимеда, сила трения – это результат электромагнитных взаимодействий между молекулами, составляющими тела.

                        Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размера ядра. Оно обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы, возникающие при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается, поэтому ядра трансурановых элементов не устойчивы и могут распадаться самопроизвольно (радиоактивный распад). Это взаимодействие наиболее сильное в масштабах ядра. Так, при ядерном делении один грамм урана энергетически эквивалентен сгоранию 2,5 тонн нефти, при термоядерном синтезе в 6 раз больше.

                       Слабое взаимодействие  переносится частицами (бузонами)  в отличие от фотонов, гравитонов и глюонов, имеющих нулевую массу покоя, они весьма массивны, во много раз тяжелее атома водорода. Поэтому, слабое взаимодействие короткодействующее и замедленное.

                       Если представить, что космическое пространство наполнено не только телами, но и полями, буквально нашпигованными квантами, виртуальными частицами, то пространство, кажущееся пустым на деле представляет собой непрерывно кипящий виртуальный океан хаотических колебаний всех физических полей.

4. Квантовая механика и принцип неопределенности. Принцип дополнительности. Классический и вероятностный детерминизм. Динамические и статистические закономерности.

                           Классическая механика описывает мир как совокупность движущихся материальных точек. В электродинамике Максвелла появились концепции поля и волны - распространяющегося возмущения поля. Граница между частицами  и волнами в электромагнитной картине мира была непреодолимой. Открытие корпускулярно-волнового дуализма как универсального свойства материи потребовало теории,  которая могла бы единым образом описывать как корпускулярные, так и волновые свойства объектов. Такая теория, квантовая механика, была создана в 20 - 30 годы 20 века. Открытые необычные фундаментальные свойства материи и движения привели к формированию новой неклассической картины мира.

                           Механический детерминизм утверждал,  что начальное состояние системы,  т.е. положение и скорость каждой  ее материальной точки, может  быть установлено абсолютно точно. Квантовая механика показывает, что точное и одновременное измерение скорости и положения тела невозможно даже теоретически. Первую попытку построить качественно новую – квантовую – теорию атома предпринял в 1913 году Нильс Бор, пытаясь связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории атома Бор положил два постулата. Первый постулат стационарных состояний: в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии, и которым соответствуют стационарные орбиты электронов, так же не излучающих электромагнитные волны в процессе своего движения. Этот постулат противоречил классической теории. Второй постулат  (правила частот): при переходе электрона с одной  стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения). Набор возможных декретных частот квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома. Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый  линейчатый спектр водорода. Но уже для гелия и более сложных элементов она позволяла делать только качественные заключения, ибо реальное движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам, служившим для Бора моделью.

                          Французский ученый Луи де  Бройль, исходя  из универсальности  симметрии в природе, и развивая представления о двойственной природе света, выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно -волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи, в том числе и с массой покоя, наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. Подтвержденная экспериментально, эта теория радикально изменила представления о свойствах микрообъектов и потребовала ввести ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики, по которым любая частица движется по траектории и в любой момент времени можно точно зафиксировать ее координаты и импульс. Микрочастицы, имея волновые свойства, существенно отличаются от классических частиц. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, то микрочастица  имеет полностью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является полностью неопределенным.

                          Немецкий физик В.Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 году к выводу:  любой объект микромира невозможно одновременно характеризовать и координатой, и импульсом какими либо определенными, точными значениями, поскольку, чем точнее будет определена одна из величин, тем с меньшей точностью может, быть, определено значение другой величины. Этот вывод был назван соотношением неопределенностей Гейзенберга. Никаким экспериментом невозможно одновременно точно измерить эти динамические переменные, причем это связано не с воздействием измерительных приборов или несовершенством методов измерения, а с отражением  особенностей объективных   свойств микрообъектов, их двойственной корпускулярно-волновой природы. Наглядно представить себе такой противоречивый объект невозможно как невозможно вообще создать наглядную модель адекватную микромиру. Однако, можно адекватно описать его процессы  уравнениями квантовой механики.

                           Строго говоря, соотношение неопределенностей  распространяется на любую физическую  систему, но  так как волновая  природа микрообъектов практически  не проявляются координаты и  импульс таких объектов можно  одновременно измерить с достаточно высокой точностью и описать их движения законами классической механики, Таким образом, соотношение неопределенностей выступает квантовым ограничением применимости классической механики к объектам микромира.

                           Размышляя над философским смыслом результатов квантовой теории, Нильс Бор в 1928 году выдвинул принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих объект (эл.частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать координату частицы и ее скорость (импульс).

                        Таким образом, для полного  описания объекта всегда требуется такой набор его характеристик, что измерение одних делает не возможным или  не точным измерение других, Принцип дополнительности, ставший одной из основ современной научной картины мира, доказывает невозможность отделить мир от обозревающего его наблюдателя. Познающий субъект всегда оказывается активным, исследование им реальности всегда сопровождается ее изменением, а результат исследования зависит от того, как оно выполнялось. Полное представление о свойствах объекта требует взгляда на него с несовместимых точек зрения (корпускула – волна), подобно тому как стереоскопический эффект требует минимум двух разных изображений одного явления. Так, и человек,  будучи  социобиологическим существом, описывается и как животное и как социальный субъект  по разному, но является парадоксальной целостностью.