Квантово-полевая картина мира. 1. Становление современной картины мира и место квантовополевой картины мира в ней 4
 Скачать 99.5 Kb.
|
10-18м. Частица – переносчик - векторный бозон.
10-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (g-квант). СодержаниеСодержание 2 Введение 3 1. Становление современной картины мира и место квантово-полевой картины мира в ней 4 2. Характеристика квантово-полевой картины мира 10 Заключение 18 Список литературы 19 ВведениеИстория науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI-XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и остается наиболее развитой и концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она могла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX в. смогли поставить перед собой эту задачу (создание химической и биологической картин мира). Поэтому, начиная разговор о конкретных достижениях естествознания, мы начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой. Понятие "физическая картина мира" употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания - самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется. Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. 1. Становление современной картины мира и место квантово-полевой картины мира в нейРост конкретно-научного материала в различных областях естествознания и, как следствие, числа концептуальных моделей реальности, требует от философии использования не только имеющихся в арсенале методологии известных и проверенных временем познавательных средств, методов и приемов, но также и разработку новых, отражающих состояние науки сегодняшнего дня. В этом заключается самореализация методологических возможностей философии, которые позволяют философским гипотезам в ходе развития научного познания эволюционировать в гипотезы общенаучные, и далее – в конкретно-научные, имеющие методологическое значение для развития научной теории. Рассматриваемые в диссертационной работе вопросы, связанные, в частности, с введением и анализом конкретно-научных принципов как основы для построения новых концептуальных моделей реальности, имеют методологическое содержание, связанное с критическим пересмотром некоторых элементов существующего понятийного аппарата, предпосылок и подходов в интерпретации предлагаемого к анализу материала.1 Из всего исторического богатства проблем, изучаемых методологией естествознания ограничимся вопросами, связанными с методологией физической теории, построенной на системе фундаментальных принципов, определяющих структуру и развитие самой теории, динамика которой направлена на достижение некоторого идеала. Проблема формирования идеала и пути его достижения, помимо конкретно-научного содержания, имеет в основании философско-методологический арсенал средств и методов. Историко-генетическое обоснование рассматриваемых в диссертационной работе проблем, требует краткого экскурса в историю методологии вообще и методологии естествознания в частности. Как известно, основоположник философской эмпирической методологии, Ф.Бэкон одну из главных задач видел в создании философии экспериментального естествознания, в нахождении критериев, обеспечивающих правильность выводов и обобщений из опытных наблюдений. Все это предполагало разработку определенных методов научного познания, один из которых впоследствии лег в основу современной методологии науки: “... опыт, который зовется случайным, если приходит сам, и экспериментом, если его отыскивают. Но этот род опыта есть не что другое, как ... хождение ощупью... Истинный же метод опыта сначала зажигает свет, потом указывает светом дорогу: он начинает с упорядоченного и систематического опыта, ... и выводит из него аксиомы, а из построенных аксиом – новые опыты...” Тем самым, исходя из философских соображений, он вводит экспериментальное обоснование теории в качестве методологического принципа. Для того, чтобы была возможность проводить определенные обобщения и анализ результатов опыта, Ф.Бэкон формулирует принцип научной индукции и разрабатывает основы индуктивной логики. Рассмотрение индукции как систематизированного метода исследования Бэкон дополнил методами аналогии и исключения, завершив тем самым создание замкнутой методологической системы.2 Впоследствии Р.Декарт, критически пересмотрев (в рамках дальнейшего развития учения о методах познания) возможности индуктивного метода, сформулировал свой метод познания – аналитический, существо которого составляет так называемая “всеобщая математика”. Методологию Декарта принято называть рационалистической в отличие от эмпирической методологии Бэкона. Как показало дальнейшее развитие науки “отсутствие у Декарта понимания решающей роли практики в познании и сомнение в рациональности у Бэкона, ...привели к тому, что этими учеными были созданы методологические системы, кажущиеся на первый взгляд противоположными, но фактически дополняющие друг друга.” Основы диалектического подхода к построению методологии были заложены Г.Лейбницем, хотя диалектику как основу методологии он отрицал. Он считал, что в то время еще не был найден метод, с помощью которого можно было бы получить из имеющихся данных все выводы5. Между тем только система принципов и всеобщая наука, которая на основе этих принципов научает способу открытия и доказательства, могут открыть истинный путь к познанию мира3. В естествознании с XVII в. начинают играть существенную роль философско-методологические принципы, позволяющие на определенном этапе развития знаний начать строить сравнительно цельные научные картины мироздания, закладывать основы идеи бесконечного приближения к объективной истине на основе механического объяснения природы. В первую очередь, это связано с такими именами как Коперник, Кеплер и Галилей. Галилей провозгласил главенствующую роль причинного объяснения природы, включая подчинение принципу причинности самой науки, и утверждал абсолютную объективность научной истины. Он подошел к анализу природных явлений как наблюдатель, отбросивший традиционные воззрения, что послужило формированию определенного (отказ от априорных схем как методологического требования) стиля научного мышления. Галилей показал, как можно конкретизировать философские идеи в их методологическом качестве применительно к физическому познанию. Принцип относительности, сформулированный Галилеем, в этом отношении является одним из реализованных методологических идеалов, положенных в дальнейшем в основание первой научной физической картины мира – механистической. По праву его можно назвать основателем собственно научной методологии конкретного уровня. Дальнейшее развитие истории философии естествознания связано с абсолютизацией конкретной методологии и распространением ее на все научное познание. По времени это связано с переходом от методологической системы Галилея к системе принципов И.Ньютона и созданием на этой основе первой физической (механической) исследовательской программы, которая позволила достигнуть относительного и необходимого концептуального и методологического единства. Ньютон разработал и систематически применял метод, суть которого он выразил следующим образом: “Вывести два или три общих начала движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, – было бы очень важным шагом в философии, хотя бы причины этих начал и не были еще открыты” Синтезировав накопленные и вновь полученные им знания на соответствующей методологической и философской основе, Ньютон сформулировал механистический идеал научного знания. Речь идет о постановке проблемы создания на едином методологическом основании единой научной механистической картины мира, охватывающей все многообразие явлений. В ее основания входят фундаментальные понятия и принципы, из которых методом дедукции и с помощью математических средств дифференциального исчисления выводятся следствия – законы теории. Ядром механистической картины мира является лапласовский детерминизм, как логически завершенная в своих принципиальных положениях философско-методологическая система. Не акцентируя внимание на развитие ньютоновской картины мира его последователями, Лагранжем и Гамильтоном, в первую очередь благодаря работам которых механика стала в дальнейшем играть роль базисной теории механической исследовательской программы, продолжим перечисление очередных этапов реализации концепции единства конкретно-научной теории. Постньютоновский этап связан прежде всего с построением Максвеллом единой теории электрических и магнитных взаимодействий. В рамках этой теории попытки дальнейшего расширения представлений классической (ньютоновской) механики на область электромагнитных явлений и возможного их согласования привели не только к разработке новых философско-методологических принципов, что естественно для динамики развития теории, но и показали необходимость существенного обновления основополагающих принципов механики. Тем самым, закладывались основы для построения новой модели единства теории и формирования постньютоновской картины мира.4 Революционная ситуация, сложившаяся в естествознании в начале XX в., связана с появлением двух новых теоретических концепций – квантовой механики и специальной теории относительности. Как это часто бывает, в начальный период формирования принципиально новой теоретической концепции (с возможной сменой парадигмы), первыми носителями методологии являются сами создатели. Не являясь представителем какого-либо определенного философского направления, Эйнштейн формировал свою методологическую позицию в процессе осмысления уже сделанного. Этим можно объяснить некоторые его высказывания позитивистского толка в русле методологической линии А.Пуанкаре и Э.Маха, во всяком случае в той ее части, которая касается дедукции, экономии мышления и роли опыта в познании. Эйнштейн в процессе анализа полученных результатов ввел явным образом в методологическую систему новые методы и методологические принципы, например, такие как аксиоматический, гипотетико-дедуктивный, принцип соответствия и др. Кроме того, как пишут А.Симанов и А.Стригачев, “он сумел гармонично (но не диалектически) сочетать общефизическую методологию с методологией конкретно-научной и методологией уровня теории, где методологическими принципами выступают сами принципы теории, законы, установленные ею, и даже понятийный аппарат теории” То обстоятельство, что некоторые принципы физической теории могут рассматриваться в качестве основы для формулирования философских методологических принципов, указывает возможные пути, посредством которых реализуется органическая взаимообуславливающая связь философии и физики. Посредником здесь выступает «давно уже возникшая в истории науки система общих физических представлений и понятий, называемая физической картиной мира». Вслед за М.В.Мостепаненко, мы будем понимать под физической картиной мира “идеальную модель природы, включающую в себя наиболее общие понятия, принципы и гипотезы физики и характеризующую определенный исторический этап ее развития” Данная формулировка предполагает определенный синтез физических знаний, не претендуя при этом на реализацию идеала единой физической теории, сформулированной в рамках этой модели. Объяснение (толкование) явлений, предсказанных и описанных физической теорией, проводится, как правило, в рамках существующей модели реальности. Далее, отмечает М.В.Мостепаненко, “объяснение явлений на основе картины мира отличается от объяснения на основе теории своей большей умозрительностью, качественным характером. Но такие объяснения бывают очень полезны и даже необходимы, так как они прокладывают путь для построения новых теорий, которые уже способны дать более строгое объяснение явлений.”12 Современная квантово-полевая ФКМ, формирование которой связано с появлением в начале века квантовой механики, продолжает играть существенную роль в построении квантово-полевых релятивистских теорий. Однако в последние годы была осознана необходимость корректировки существующих принципов построения квантово-полевых теорий и, в частности, переход к новым – дискретно-непрерывным – представлениям о пространстве-времени и, тем самым, к формированию на этой основе новой постнеклассической модели реальности.5 Основными элементами этого формирующегося этапа являются выделение методологических принципов с онтологическим основанием, которые, по степени общности, выходят за рамки любой отдельно взятой физической теории (например, антропный принцип, принцип целесообразности и т.п.), включение гипотез о природе происхождения ФФП в арсенал средств по формированию основ объединенной теории, более глубокий и всесторонний анализ самого понятия единой теории как идеала формирующегося постнеклассического этапа развития физики. 2. Характеристика квантово-полевой картины мираОпределение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим основные из них. Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±ne представляет собой форму квантования электрического заряда. Тепловое излучение. Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн)равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы». 6 В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия). Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W =n×h×n, где n = 1,2,3… - целые числа. В конце 19 в. в результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен. Эти законы не могли быть объяснены на основе представлений ЭМКМ. В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.7 Энергия фотона e = h×n = mc2, импульс P = mc = hn/c = h/l. Эти соотношения означали, что масса покоя фотона m0 = 0 (покоящийся фотон не существует), а скорость его равна скорости света. Масса движения фотона m = hn/c2 = P/c. На основе фотонных представлений и закона сохранения и превращения энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn = A + Ek (энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну. В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света. В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля  , где m – масса частицы, V – ее скорость, h – постоянная Планка.В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105-106 раз). При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи). По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы. Принцип дополнительности. Итак, из сказанного выше следует, что корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных. Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта». Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности. Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг. Он показал, что эти неопределенности (неточности) удовлетворяют следующим соотношениям: DX×DPX³h; DY×DPY³h; DZ×DPZ³h; DW×Dt³h. Эти неравенства называются соотношениями неопределенностей Гейзенберга. Таким образом, если мы знаем положение X импульс Р микрочастицы (например, электрона в атоме) с погрешностями DX и DPX, то эта погрешность не может быть меньше, чем h. Этот предел мал, поскольку мала сама h – постоянная Планка, но он существует, и это фундаментальный закон природы. Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день. Из соотношения неопределенностей видно, что с увеличением массы частицы ограничения, накладываемые им уменьшаются. Например, для пылинки m=10-13кг, координата которой получена с точностью до ее размеров, т.е. DX=10-6м, получаем DVX=1,0×10-15 м/с. Эта неопределенность практически не будет сказываться ни при каких скоростях, с которыми может двигаться частица. Для макроскопических тел соотношение неопределенностей не будет вносить никаких ограничений в возможность применить для них понятия координаты и скорости одновременно. Дело в том, что постоянная Планка в этих случаях может рассматриваться пренебрежимо малой. Это приводит к тому, что квантовые свойства изучаемых объектов оказываются несущественными, а представления классической физики – полностью справедливыми. Аналогично при скоростях, намного меньших скорости света, выводы теории относительности совпадают с выводами классической механики. Таким образом, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики. Это положение связано с так называемым принципом соответствия, имеющим важное философское и методологическое значение. Принцип соответствия может быть сформулирован следующим образом:8 Теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новых теорий. Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности: 1) утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи; 2) изменение методологии познания и отношения к физической реальности; Пояснение: Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения. Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ. Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (X,Y,Z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой. Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга. Независимость пространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени. В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).9 Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия. Рассмотрим кратко эти взаимодействия. 1. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 100, радиус действия порядка 10-15, время протекания t |
3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами b-распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10-13, t