Квантово-механическая картина мира
складывается в 30-х годах XXв.
Формирование новых обобщенных представлений о структуре материи вызвало открытие античастиц (П.Дирак - 1928, 1932) и нестабильных
123
Мамчур Е.А. Эйнштейн и современная эпистемология // Эйнштейн и перспективы развития науки. М.,
2007. С.36-38. Эйнштейн, отмечает Е.А.Мамчур, расширил понятие «естественного движения», включив в него то, что ранее трактовалось как ускоренное движение под действием сил гравитации. В Галилей-
Ньютоновской физике равномерное и прямолинейное (инерциальное) движение тел в евклидовом пространстве не нуждалось в силе, не требовало для своего объяснения апелляции к причинам. В физике
Аристотеля естественным было движение к центру Земли (свободное падение). Распространение геометрического подхода на всю физику, по мысли Эйнштейна, позволило бы истолковать как
«естественные» и, следовательно, беспричинные все состояния движения. С.38.
227 элементов ядра с очень коротким сроком жизни – мезонов (Юкава – 1935).
Теоретическим основанием новой физической картины мира, помимо квантовой механики (В.Гейзенберг - 1925),
124
выступили: квантово- механическая теория строения атома Н.Бора (1913), протонно-нейтронная теория строения атомного ядра (В.Гейзенберг, Д.Иваненко, И.Тамм - 1932).
В квантово-механической картине мира соединяются две крайние позиции во взгляде на природу материи: атомизм, утверждающий прерывность (дискретность) материи и полевая физика, утверждающая непрерывность (континуальность) материи. Ключевым понятием выступает
квант
– порция энергии.
Физическая реальность в квантово-механической картине предстает в виде резко разграниченных уровней макро- и микромира, которые различаются величиной скоростей, характером взаимодействий и описывающих их законов. Микроуровень материя характеризуется взаимным превращением элементарных частиц и излучений. Каждая элементарная частица имеет определенную длину волны, характеризуется непрерывностью
(в виде волновой функции) и дискретностью (определенным размером).
Французский физик-теоретик Луи де Бройль показал, что при значительной массе частицы корпускулярные свойства преобладают. В этом случае ее физические свойства и характер движения соответствуют классической характеристике материальной точки. У субатомных частиц преобладают волновые свойства. С каждой движущейся микрочастицей он связал волну определенной длины. Размеры всех элементарных частиц сравнимы с длинами волн де Бройля, указывающими на порционное излучение энергии при взаимодействиях.
Теоретическое описание поведения элементарных частиц строится в соответствии с законами волновой квантовой механики, где фундаментальным параметром состояния выступает волновая функция. Движение микрочастиц кардинально отличается от движения макрообъектов, которое можно точно описать законами классической механики, зная скорости, координаты, импульсы. У элементарных частиц эти параметры неопределенны.
Язык описания микромира в квантово-механической картине определяется представлением о корпускулярно-волновом дуализме микрочастицы и принципом неопределенности (В.Гейзенберг), согласно
124
Первая формулировка квантовой механики в статье Вернера Гейзенберга (29 июля 1925г.) считается днем рождения нерелятивистской квантовой механики. Ей предшествовала старая квантовая теория, днем рождения которой считают 14 декабря 1900г. (доклад Макса Планка на заседании Немецкого физического общества, в котором он ввел постоянную h).
228 которому измерение (прибор) нарушает объективное течение событий, поэтому наблюдается разная ипостась элементарной микрочастицы.
Принцип причинности раскрывается через представление о
фундаментальных
физических
взаимодействиях
: гравитационных, электромагнитных, сильных, слабых. Два последних типа наблюдаются только в ядерных взаимодействиях. Под сильным взаимодействием понимают сцепление нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома. Слабые
взаимодействия
распространяются в радиусе 10
-18
м (что примерно в 1000 раз меньше размера ядра), их интенсивность слабее сильного и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Первая теория слабого взаимодействия была разработана Энрико Ферми 1930-х годах.
125
Классификация обнаруженных микрочастиц ведется по типу взаимодействия, характерному для данной частицы (к концу 90-х гг. количество элементарных частиц и античастиц приближается к 400). Частицы и античастицы, сравнимые по своим параметрам с элементами ядра – протонами и нейтронами, были названы субатомными (доатомными) частицами. Подавляющее большинство субатомных частиц относится к
адронам
- тяжелым микрочастицам, вступающим в сильные взаимодействия.
Их масса и размер сравнимы с массой и размером протона (m ≈ 1,6∙10
–24
г; r ≈
10
–23
см). Группу слабо взаимодействующих частиц составляют лептоны –
легкие микрочастицы, сравнимые по массе с электроном (0,9∙10
–27
г). Слабое взаимодействие позволяет микрочастицам обмениваться энергией, электрическим зарядом и другими параметрами.
Квантовая механика дает теоретическое описание любого микрообъекта как некоторого статистического ансамбля. Волновое уравнение квантовой механики определяет лишь вероятность определенного положения частицы в каждый момент времени. Приоритет в физическом объяснении получает принцип статистической закономерности, который выражается на языке теории вероятностей. Неопределенность рассматривается в качестве фундаментальной характеристики физической реальности на микромира.
В квантово-механической картине мира утверждается принцип
дополнительности
, согласно которому адекватное описание микроявлений можно построить только как квантово-механическое, представляющее две взаимодополняющие фундаментальные теоретические модели микрообъекта
(динамическую и волновую) с определенными ограничениями.
125
Л.Б Окунь. Слабое взаимодействие //
Физическая энциклопедия http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3700.html
229
Следствием принципов дополнительности (Н.Бор) и неопределенности
(В.Гейзенберг) стало изменение классического представления о характере закона, а также сомнение в объективности физического описания. Поскольку вмешательство исследователя влияет на исследуемую ситуацию, один и тот же опыт при повторении дает разные результаты. Позиция исследователя играет решающую роль в описании физического явления. Теоретическая картина явления природы становится неопределенной.
Одна из проблем квантово-механической картины мира связана с физической интерпретацией волновой функции, которая имеет значение основного параметра квантового поля и элементарной частицы.
Сформулированное австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1926г.
волновое уравнение квантовой механики
представляет собой особую запись закона сохранения полной энергии для корпускулы, но операторы дифференцирования по времени и по координатам применяются не к материальной точке, а к волновой функции. Шредингер стремился показать, что дискретное строение материи производно от ее волновой (непрерывной) структуры. Однако физический смысл волновой функции, которая выступает дополнительной (по отношению к импульсу) характеристикой в квантовом описании поведения микрочастиц, до конца не ясен.
Квантово-полевая картина мира
складывается к концу XXв. на базе развития представления о квантовом поле, которое, с одной стороны, непрерывно (не имеет четкой пространственной локализации), с другой, - дискретно (характеризуется квантовыми уровнями энергии). Базовой теорией выступает квантовая теория поля - основной аппарат физики элементарных частиц, раскрывающий природу их взаимодействия и взаимопревращения. С точки зрения современной квантовой теории поле - физическая система с бесконечным числом степеней свободы, которая может проявляться в виде физического вакуума, электромагнитного поля, элементарных частиц и античастиц.
Новый уровень физической реальности представлен физическим
вакуумом,
с которым связывается низшее энергетическое состояние квантованного поля. Состояние физического вакуума характеризуется флуктуациями, в результате которых может происходить рождение виртуальных частиц. В возбужденном, неустойчивом состоянии физического вакуума такие частицы превращаются в реальные элементарные частицы, античастицы и излучение. Полагается, что квантовое поле физического
230 вакуума содержит волновые свертки электронов и позитронов с нулевыми значениями массы, заряда и спина. Главной характеристикой элементарной частицы выступает ее энергия, пропорциональная длине волны (E = hν).
Поэтому в квантово-полевой картине мира элементарная частица суть квант
поля – единичная волна.
Принцип структурного единства мира в квантово-полевой картине раскрывается представлением о лептонно-кварковом строении материи
(Стандартная Модель элементарных частиц). Кварки - бесструктурный элемент, фиксируемый на уровне сильных ядерных взаимодействий. Косвенно экспериментальным путем обнаружены шесть типов кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии кварки не наблюдались. 12 фундаментальных микрочастиц: 6 кварков (u,d,c,s,t,b) и 6 антикварков, - объясняют почти все многообразие элементарных частиц, за исключением легких частиц – лептонов, которые оказываются бесструктурным (неразложимым) элементом на уровне слабых взаимодействий. Лептоны и антилептоны (электроны, нейтрино и их античастицы) не выводятся из кварков и существуют параллельно.
В квантово-полевой картине мира утверждается активность материи на уровне взаимных превращений элементарных частиц и состояний квантовых полей. В предшествующих теоретических моделях мира (механической и электродинамической) материя сводилась к веществу с неизменным строением, неизменной массой тела или распространению электромагнитного поля. Происхождение материи, ее эволюция не рассматривались. В квантово- полевой картине мира идея всеобщей взаимосвязи явлений конкретизируется энергетической связью элементарной частицы с окружающими ее квантовыми полями. В представлении о флуктуациях квантовых полей, взаимных превращений прачастиц и излучений просматривается идея эволюции материального единства мира. Утверждается взаимосвязь разных уровней физических явлений: микромира элементарных частиц, квантовых полей и излучений, макромира визуально наблюдаемых физических явлений, мегамира, определенного космическими масштабами происходящих явлений.
Однако проблему составляет само становление и взаимосвязь этих уровней физических явлений. Интерпретация квантовой механики и возможность сведения всех феноменов (и феномена жизни) к физическому описанию
231
(принцип физической редукции) – одна из важнейших вопросов физики в начале XXIв.
126
Проблемы квантово-полевой картины мира
связаны с построением единой теории физических взаимодействий. В настоящее время построена и подтверждена единая теория электрослабых взаимодействий (С.Вайнберг,
А.Салам, Ш.Глэшоу). Большую роль в создании единой теории электрослабых взаимодействий сыграл принцип симметрии. Ш.Глэшоу и Х.Джорджи (1974) сделали попытку объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий (Великое объединение). В отношении гравитационных взаимодействий высказано предположение о существовании элементарной частицы - гравитона.
Проблему в построении единой теории составляет объединение трех фундаментальных концепций современной физики:
- концепции о калибровочной природе взаимодействий, в основании которой лежит представление о фундаментальных симметриях,
- концепции о лептонно-кварковом строении вещества,
- концепции спонтанного нарушения симметрии физического вакуума.
Концепция спонтанного нарушения симметрии физического вакуума опирается на идею асимметричности вакуума, которая связывается с неустойчивостью, порождающей новые образования в виде полей и элементарных частиц. Развитие представлений о физическом вакууме, который в квантовой теории поля определяется как энергетическое состояние квантованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем, привело к выявлению предполагаемых новых физических объектов. Хиггс выдвинул гипотезу о спонтанном нарушении симметрии вакуума и существовании вследствие этого вакуумного конденсата. Коллективное возбуждение
Хиггсового конденсата порождает особые кванты (Хиггсовые бозоны), экспериментальное обнаружение которых составляет одну из задач физики элементарных частиц.
127
Проблемы Стандартной Модели элементарных частиц связаны с исследованием кварк–глюонного конденсата, конфайнмента (пленения – англ.) кварков, выяснением природы поколений известных частиц, а также
126
Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века? // Гинзбург В.Л. О науке, о себе и о других: статьи и выступления 3-е изд., дополненное.
М.: Физматлит, 2003.
127
Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. М, 2001
232 причины сильного различия масс элементарных частиц и выделенного статуса нейтрино.
128
На данный момент фундаментальная структура материи на уровне микромира раскрывается через три составляющие: фермионы – частицы вещества со спином ½ (сводимые к бесструктурным кваркам и лептонам);
векторные бозоны
– частицы с целым спином (кванты полей); скалярные
Хиггсовые бозоны
– частицы с нулевым спином (ассоциируются с физическим вакуумом, который рассматривается как коллективное возбуждение скалярных бозонов). Выделены константы связи сильного, слабого, электромагнитного, гравитационного взаимодействий. Предполагается, что установленное соотношение эти констант характеризует настоящую эпоху развития Вселенной, но возможно существовала эпоха, когда оно было иным.
Концепция о калибровочной природе взаимодействий,
развиваемая в современной физике, опирается на принцип локальной инвариантности, выделенный Эйнштейном в общей теории относительности. Согласно ОТО инвариантность физических законов достигается только относительно локальных изменений масштаба (калибровочных преобразований).
Первоначальное значение термина «калибровка» - изменение масштаба.
В теории Эйнштейна однородность пространства (евклидово пространство) существует только локально. В глобальном плане должна существовать возможность изменения масштаба при переходе от одной точки пространства к другой, что означает кривизну траектории движения, отклонение ее от прямой линии. Роль гравитационного поля состоит в компенсации эффектов, связанных с изменением масштаба (т.е. вызванных калибровкой расстояний от точки к точке).
Калибровочный принцип
рассматривается как новый подход к природе физических взаимодействий, который позволяет не постулировать форму взаимодействия, а выводить ее как результат требования инвариантности относительно групп определенных локальных преобразований, как способы, которыми в природе должно компенсироваться локальное калибровочное преобразование.
129
В основе этого подхода лежит представление о фундаментальной роли симметрии. В общем смысле симметрия — неизменность при каких-либо преобразованиях.
128
Есть экспериментальные данные, что нейтрино обладает малой массой (110 эВ), что в 10 тыс.раз меньше m
e и в 10 млрд.раз меньше самого тяжелого кварка. Там же.
129
Концепции современного естествознания. Под ред.профессора С.И.Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 2003.
С.222-227
233
Принцип симметрии выделяет особенности поведения систем при различных преобразованиях.
Принцип инвариантности связан с выделением из всей совокупности преобразований таких, которые оставляют неизменными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.
Слово
симметрия (symmetria) имеет греческое происхождение и означает соразмерность. Научное определение симметрии принадлежит немецкому математику Герману Вейлю (1885-1955): под симметрией следует понимать неизменность (инвариантность) какого-либо объекта при преобразованиях определенного рода.
130
Можно сказать, что
симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения, оператора при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики.
131
Например,
закон всемирного тяготения гласит, что сила взаимного притяжения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила притяжения не зависит от положения этой пары в пространстве, а только от расстояния между телами. Это означает, что данный закон инвариантен относительно переноса или вращения этой пары тел в целом (или, с математической точки зрения, относительно переноса или вращения системы координат), что обеспечивается однородностью и изотропностью пространства. Такая переносная (трансляционная) симметрия является разновидностью пространственной симметрии.
Менее очевидна инвариантность физических законов при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой прямолинейно и равномерно.
Однако эксперименты показывают, что невозможно установить, которая из этих систем отсчета покоится, а которая движется. Этот факт лег в основу специальной теории относительности, согласно которой физические законы должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. Последние включают специальные преобразования не только координат, но и времени.
Эту разновидность симметрии физических законов также можно отнести к разряду пространственно-временных, геометрических (имея в виду четырехмерную геометрию Минковского). В дальнейшем были открыты
130
Вейль Г. Симметрия. М.: Наука, 1968.
(М.: Едиториал УРСС, 2003. -194с.)
131
Черепанов
В.И
Симметрия и принципы инвариантности в физике
// http://articles.excelion.ru/science/fizika/16065052.html
. Э.Вигнер. Инвариантность и законы сохранения. Этюды о симметрии. М.: Едиториал УРСС, 2002
Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии:
Философские и естественнонаучные аспекты / Изд.2. – М.: КомКнига, 2006. – 232 с.
234 негеометрические (динамические) виды симметрий: перестановочная, калибровочная, унитарная.
Негеометрическая,
перестановочная
симметрия
связана с инвариантностью уравнения Шредингера относительно перестановок одинаковых частиц. Швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули (1900-
1958) установил связь перестановочной симметрии со спином частиц (частицы с целым спином - бозоны, а с полуцелым – фермионы) и показал, что фермионы должны подчиняться принципу запрета: два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули - ключ к объяснению периодического закона Д.И.Менделеева. Если бы не выполнялся принцип
Паули, то все электроны любого атома перешли бы в низшее по энергии 1s- состояние, что привело бы к потере того разнообразия химических свойств атомов, которое наблюдается в природе.
Калибровочная симметрия
- общее название класса внутренней симметрии уравнений теории поля (симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени). В физике четырем типам фундаментальных взаимодействий
(сильному, электромагнитному, слабому, гравитационному) соответствует четыре класса элементарных частиц. Все известные физические взаимодействия (4 вида) имеют одну калибровочную природу. Каждому взаимодействию соответствует группа симметрий и законы сохранения, выступающие проявлением этих симметрий. Теорема Нетер показывает связь между симметрией и инвариантностью в преобразованиях.
132
Инвариантный подход в физике связан с принципом наименьшего действия. Минимизация действия в классической механике описывается уравнениями Лагранжа – Эйлера, которые показывают связь этого принципа с законами Ньютона. В конце XIXв. было показано, что уравнения Лагранжа –
Эйлера согласуются с уравнениями Максвелла, описывающими электромагнитные взаимодействия, а функция Лагранжа остается неизменной
132
Инвариантный принцип построения теории относительности привлек внимание математиков, развивавших идею систематического применения групп симметрии к изучению конкретных геометрических объектов. В
1918г. Эмми Нетер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инварианта относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина, выявив особую роль принципов симметрии в построении физической теории. Этому предшествовало развитие в математике теоретико-инвариантного подхода, связывающего геометрию с теорией групп абстрактной алгебры («Эрлангенская программа» немецкого математика Феликса Клейна). Все разнообразие геометрических систем понималось с единой теоретико-инвариантной точки зрения.
Следствием союза математики и физики стало развитие языка лагранжианов - аппарата математического анализа уравнения движения, исходя из принципа наименьшего действия. См.: Концепции современного естествознания. Под ред.профессора С.И.Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 2003, С.223
235
(инвариантной) в преобразованиях движений в абстрактных пространствах большого числа измерений, следствием чего выступают законы сохранения.
133
Принципы симметрии не только помогают классификации квантовых состояний, установлению законов сохранения и правил запрета, но и обладают эвристической ценностью. С их помощью создаются новые теории, с одной стороны, описывающие явления микромира, а с другой - имеющие важные следствия для космологии. Развитие квантовой теории поля происходит по линии повышения симметрии, на которую опирается теория. Математической базой выступает теория «групп Ли». Группа симметрии в теории электромагнитного поля является подгруппой группы симметрии электрослабых взаимодействий, которая в свою очередь является подгруппой группы симметрии Великого объединения.
134
Стремление к Великому объединению (3 видов фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное) требует дополнительных симметрий.
Суперсимметрия предлагается как средство достижения Великого объединения. Основная идея суперсимметрии – некий способ (правила) объединения в пары фермионов и бозонов. Обычные группы симметрий «вращают» наборы бозонов среди них самим и фермионов также среди них самих, т.е. не «поворачивают» бозоны в фермионы или наоборот.
Главная трудность в этой концепции связана с требованием существования для каждой элементарной частицы суперпартнера со спином, отличающимся от спина исходной частица на ½ ħ. Должен быть суперэлектрон со спином 0, суперкварк и т.д. Пока ни один из суперпартнеров не обнаружен. Объяснение состоит в том, что из-за наличия некоего механизма «нарушения суперсимметрии» (природа неизвестна) предполагаемые суперпартнеры должны иметь на много большую массу, чем соответствующие им частицы.
135
Различие внешних (геометрических) и внутренних симметрий составляет серьезную проблему в физике. На современном этапе обсуждается возможность сведения всех внутренних симметрий к геометрическим
133
Лагранжианы позволяют описывать новые поля, добавляя все необходимые члены взаимодействия. В современной физике новая теория неизменно представляется в виде некоторого лагранжева функционала.
Трудности заключаются в том, что выбор лагранжиана часто оказывается неоднозначным: разные лагранжианы приводят к одним и тем же уравнениям поля. Физический смысл лагранжианов не всегда очевиден. Пенроуз Р., 2007. С.415-419 134
Черепанов
В.И
Симметрия и принципы инвариантности в физике
// http://articles.excelion.ru/science/fizika/16065052.html
135
Идея суперсимметрии предполагает одинаковую величину констант связи, предположительно в тот момент эволюции Вселенной, когда ее температура имела значение 10 28
К. В обычных условиях величины сил,
создаваемых сильным и слабым взаимодействием, различаются примерно в 10 13
раз, константы связи не совпадают. Если ввести суперсимметрию, картина чудесным образом меняется. Однако между температурой
10 28
К и 10 14
К, доступной современным ускорителям существует огромная энергетическая щель. Пенроуз Р.,
2007. С.729
236 пространственно-временным симметриям. Поля (и частицы) рассматриваются как определенные геометрические объекты, которые адекватно описываются математической теорией расслоенных пространств. Слои определяются внутренними симметриями, связанными с обычным базовым Пространством-
Временем. В искривленных базовых пространствах с каждой точкой сопоставляются слои, связанные друг с другом определенными отношениями
(«связностями»). Внутренняя симметрия, которая является группой симметрий слоя, порождает калибровочное поле (соотносимое с квантовыми объектами - бозонами).
Обобщенное описание физической реальности конкретизируется в представлении об исходном уровне материи в виде квантового поля с определенными энергетическими состояниями. Число и характер элементарных частиц и, в конечном счете, все многообразие дискретной материальной макросреды, которую мы наблюдаем, определяются состояниями квантового поля, трактуемого как расслоенное пространство.
Калибровочные поля (например, электромагнитное поле, квант поля - фотон) описываются связностью расслоенных пространств. Поля, характерные для частиц-фермионов (например, электронов) описываются сечениями расслоенного пространства.
136
Определенные перспективы единой теории взаимодействий связываются с теорией струн, в основе которой лежит математическая идея Калуца -
Клейна о внутренних размерностях, дополняющих базовое 4-мерное пространство-время до размерностей 26, 10. Образная аналогия - шланг, который в обычном мире является одномерным, но имеет внутренние размеры. Теория струн хорошо описывает процессы в физике адронов, сводя обменные процессы и обменные частицы к единой топологии (если рассматривать адроны не как точечные частицы, а как струны). Различные семейства элементарных частиц могут быть включены в эту картины как различные моды колебаний струн. В 1984г. Майкл Грин и Джон Шварц предложили схему, вводившую в теорию струн суперсимметрию
(суперструна, вместо струны), что сократило размерность пространство- времени до 10, устраняло «тахионную проблему» (сверхсветовое распространение) и позволило рассматривать новые струны «гравитационного масштаба». Предполагаемая безмассовая частица со спином 2, возникающая как мода колебаний струн, отождествляется с гравитацией.
136
Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. М, 2001.
237
Теория струн предполагает соединить все элементарные частицы в единую схему. Возникающие при этом группы симметрии оказываются более обширными, чем в стандартной модели. Серьезную проблему составляет неоднозначность теории струн: существует пять совершенно разных возможных схем связи, устанавливаемой суперсимметрией между бозонными и фермионными модами колебаний струны. Соответственно имеется пять вариантов теории струн.
137 2.3 Идея эволюции в физической картине мира
В первой половине XXв. создаются новые эволюционные космологические модели, которые опираются на астрофизические исследования и расчеты в соответствии с общей теорией относительности.
Космические объекты представляются в эволюционной космологии в качестве исторических образований. Фактами, подтверждающими эволюцию
Вселенной, выступают:
- расширение Вселенной (в соответствии с обнаруженным красным смещением в спектрах удаленных космических объектов, открытым Э.П.
Хабблом);
- преобладание вещества в структуре Вселенной (асимметрия между веществом и антивеществом);
- однородность и изотропность светящейся материи в масштабе расстояний 100 мегапарсек;
- существование реликтового фонового излучения;
- существование галактик и галактических скоплений, имеющих разный возраст; ячеистая структура Вселенной на метагалактическом уровне.
Попытки увязать идею эволюции и сохранение физического мира, для которого характерны фундаментальные мировые константы, привели к представлению о «тонкой подстройке Вселенной» и формулированию нефизического объясняющего принципа, декларирующего наличие взаимосвязи между параметрами Вселенной и существованием в ней разума, который получил название антропного принципа.
Термин «тонкая подстройка Вселенной» подчеркивает фундаментальное сохраняющее значение физических постоянных, калибровочных симметрий и определенной асимметрии физического вакуума (в качестве исходного состояния праматерии Вселенной). Содержание концепции тонкой подстройки
137
Пенроуз Р., 2007. С.757
238 определяется положением, что универсальные физические константы однозначно определяют (предопределяют) структуру нашей Вселенной.
138
Основанием
концепции тонкой подстройки послужила численная взаимосвязь параметров микромира (постоянной Планка, заряда электрона, размера нуклона) и глобальных характеристик Вселенной (ее массы, размера, времени существования). Анализ возможных изменений основных физически параметров показал, что даже незначительное изменения мировых физических констант, приводит к невозможности существования нашей Вселенной в наблюдаемой форме и не совместимо с появлением в ней жизни.
В 30-х гг. Поль Дирак обратил внимание на
взаимосвязь небольшого конечного числа фундаментальных постоянных и их производных, определяющих структурное основание и взаимодействия наблюдаемой
Вселенной, а также на число 10 40
, которым выражаются разные константы и их соотношения. Это число соответствует современному возрасту Вселенной в ядерных единицах, установленному Э.П.Хабблом. Число звезд во Вселенной в качестве составной части включает число 10 40
. Согласно современным расчетам, оно равно 10 60
, или (10 40
)
3/2
. В среде физиков возникла идея о
существовании некоторого фундаментального принципа, в соответствии с которым осуществляется тонкая подстройка Вселенной (А.Эддингтон,
П.Дирак, Дж.Барроу, Р.Дикке, Б.Картер). Взаимосвязь между параметрами
Вселенной и появлением в ней разума была выражена в формулировании антропного принципа космологии.
139
Слабый антропный принцип, сформулированный Р.Дикке, утверждал: имеющиеся во Вселенной физические условия не противоречат существованию человека. Жизнь во Вселенной не может возникнуть раньше, чем проэволюционирует хотя бы одно поколение звезд и по Галактике рассеется вещество, содержащее углерод, кислород и другие химические элементы, лежащие в основе органической и живой материи. После образования обычной звезды второго поколения начинается звездное время,
138
Например, гравитационная постоянная G (в системе СИ: G = 6,67 · 10
-11
Н·м2 / кг2) очень мала: между двумя атомами гравитационное взаимодействие в 40 раз слабее электромагнитного. Но более сильная гравитация коренным образом меняет структуру и геометрию Вселенной. Еще одна замечательная константа - число протонов в так называемом радиусе Хаббла: N = 10 80
= (10 40
)
2
. Оно соответствует плотности вещества, от которой зависит геометрия Вселенной. Если бы число N было больше или меньше указанной величины, то структура Вселенной была совсем иной. В соответствии с расчетами современной физики, при большем N
(например, равном 10 86
) расширение Вселенной длилось бы меньшее время (всего 10 8
лет) и к настоящему времени наша Вселенная давно бы под действием сил гравитации катастрофически сжалась до малых размеров. При числе N < 10 80
(например, 10 77
) Вселенная расширялась бы более быстрыми темпами, чем сейчас. Процесс образования галактик также шел бы другим темпом.
139
Девис П. Случайная Вселенная. М., 1985; Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии // Космология: теории и наблюдения. М. 1978; Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.,
1990.
239 когда возможно зарождение жизни. Этот момент эволюции Вселенной можно вычислить.
Звездное время определяется произведением двух фундаментальных констант: величины, обратной гравитационной постоянной тонкой структуры,
140
и постоянной, выражающей возраст современной
Вселенной. Р.Дикке сделал вывод о том, что гравитационная постоянная тонкой структуры в качестве мировой константы направляет эволюцию
Вселенной к возникновению человека, которое возможно только когда возраст
Вселенной сравняется с определенным числовым значением.
Антропный принцип Р.Дикке вызвал много возражений разного характера. Возражения физиков против антропного принципа были связаны с тем, что возраст современной Вселенной определен только двумя универсальными постоянными.
Сильный антропный принцип
, который утверждает взаимосвязь фундаментальных физических параметров Вселенной с возможностью и необходимостью появления в ней разума, был сформулирован Б.Картером: фундаментальные параметры Вселенной, от которых зависит ее устойчивость, должны быть такими, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование разумного наблюдателя.
Достаточного физического обоснования сильный антропный принцип пока не имеет. Проблема его обоснования положила начало формированию междисциплинарной концепции глобального эволюционизма. Общая идея обоснования сильного антропного принципа предполагает дополнение фундаментальных физических констант универсальными переменными величинами, которые в современной науке связываются с активностью материи, в частности с ее способностью к самоорганизации.
Происхождение наблюдаемого в настоящее время строения материи
Вселенной стало новой проблемой физики. Теория относительности и квантовая теория не дают ответа на вопрос о происхождении наблюдаемых структур Вселенной. Вопрос: почему возникает именно такая Вселенная, которая характеризуется именно такими законами сохранения и ограниченным набором физических констант? - остается открытым.
140
«Постоянная тонкой структуры» задает величину электромагнитного взаимодействия, определяется формулой: α=e
2
/ħc. Как отмечает Р.Пенроуз, это один из «необъяснимых параметров» в Стандартной модели.
Обратная величина этой постоянной α
-1
= 137,0359… играет ключевую роль в концепции тонкой подстройки
Вселенной, определении возраста Вселенной. Сегодня физики предпочитают рассматривать некоторые фундаментальные константы как функции от энергии частиц, участвующих во взаимодействии, обозначая их
«бегущими константами связи», которые зависят от энергии покоя полной системы частиц. Наблюдаемые скалярные величины, называемые «константами Природы» оказываются тогда низкоэнергетическим пределом этих «бегущих» значений. Пенроуз Р., 2007. С.725, 575.
240
.3. Принципы формирования современной научной картины мира
Формирование новой картины мира в естествознании конца XXв. характеризуют следующие тенденции: физическая редукция, междисциплинарный принцип системности, признание самоорганизации в качестве всеобщего свойства материи и распространение принципа эволюции на все рассматриваемые явления.
Принцип физической редукции в конце XXв. оказался под сомнением в связи с проблемой физической интерпретации сингулярности (как особого состояния Вселенной, для которого нет адекватного физического объяснения и описание которого неизбежно включает временной фактор эволюции), а также проблемой теоретического описания явлений, особенно при переходе от макро- к микроявлениям (что поставило под сомнение возможность создания единой унифицированной физической теории) и проблемой самоорганизации.
141
Дискуссии вокруг природы квантовых явлений, а также вокруг новой космологии, ставшей уже в первой половине XXв. физической дисциплиной – астрофизикой, ввели в круг фундаментальных проблем, связанных с объяснением явлений микро- и мегамира, понятия, фиксирующие не характерные для классической и неклассической физики принципы целостности и эволюции.
Главная характеристика постнеклассической науки – отказ от универсальности физических понятий, сомнение в полноте физической картины мира. Новая картина мира в естествознании формируется в конце века на основании междисциплинарного принципа системности, выделяющего фундаментальность и всеобщность процессов самоорганизации в природе.
3.1 Принцип самоорганизации в формировании научной картины мира
Признание самоорганизации в качестве всеобщего свойства материи и распространение принципа эволюции на все рассматриваемые явления становится основанием для синтеза знаний о природе, а также естественнонаучных и социогуманитарных знаний о человеке и обществе. С этой точки зрения представление о мире опираются на следущие положения:
1. Мир состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму, имеющему две фазы: линейную и нелинейную.
2. Эволюция структурных уровней материи определяется фундаментальной способностью материи к самоорганизации. При этом чётко
141
Бранский В.П. Философия физики XXв. СПб., 2002
241 различается равновесное и неравновесное состояние, а также равновесные и неравновесные структуры.
3. В
природе преобладают открытые системы, обменивающиеся веществом, энергией, информацией с окружающим миром, абсолютно замкнутых систем нет. В неживой природе рассеивание и преобразование системой поступающей энергии может приводить к упорядоченным структурам. В живой природе обмен веществом, энергией и информацией со средой обитания позволяет эволюционировать системам от простого к сложному, разворачивать программу роста организма из клетки-зародыша.
Общие мировоззренческие основания теоретического описания явлений составляют
положение об универсальности согласованных процессов в природе и принцип вероятного детерминизма. Ключевыми понятиями выступают: хаос, порядок, неустойчивость, нелинейность, открытость, флуктуация, бифуркация. Формальное описание эволюции сложной динамической системы и группы систем опирается на представление о фазовом пространстве и математические методы факторного анализа.
Теория самоорганизации выявляет единый алгоритм перехода от менее сложных и неупорядоченных состояний к более сложным и упорядоченным.
Ее теоретичпской базой выступают: физика когерентных (согласованных) процессов (Г.Хакен) и неравновесная термодинамика (И. Пригожин).
Представления, развитые в теории нелинейных динамических систем, отождествляют
самоорганизацию со способностью к разнообразному, сложному, но адекватному внешним воздействиям поведению, которое интерпретируется как скачкообразный переход (бифуркация) системы из одного состояния в другое.
По определению Г.Хакена, самоорганизация – спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем.
Упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость – через неустойчивости. Хаотическое состояние содержит в себе неопределенность, вероятность и случайность, которые конкретизируются понятиями информации и энтропии. Фундаментальным понятием в описании процессов самоорганизации становится вероятность.
Синергетическая парадигма определяет новую модель системного исследования и формального описания природных явлений, которая
242 открывает перспективу построения единой науки о закономерностях эволюции сложных систем неорганической и органической природы. Особую роль в этой системной модели играет принцип нелинейности, который разграничивает две фазы в жизни сложной самоорганизующейся системы (два алгоритма развития):
1)
линейная фаза
представляет собой однонаправленное изменение, которое обнаруживает четкую закономерность, ее можно точно рассчитать и на этой основе дать прогноз будущих состояний системы;
2)
нелинейная фаза
представляет собой кризисное состояние, которое характеризуется возможностью только вероятного прогноза некоторого множества будущих возможных состояний.
Подчеркивается относительность микро- и макроуровней жизни самоорганизующейся системы. Взаимосвязь уровней играет решающую роль в эволюции системы. Рождение порядка трактуется как рождение коллективных макродвижений (и новых макростепеней свободы) из хаотических движений микроуровня, трансформация которых и выливается в новый порядок.
Развивается идея создания теоретической картины эволюционно- исторического развития мирового единства (от Большого Взрыва до образования химических элементов, звезд и планет, и далее - до сложных органических соединений, клетки, экосистем живой природы, вплоть до человека и социума).
142 3.2 Междисциплинарный принцип системности в формировании научной картины мира
В становлении междисциплинарной картины мира на основе принципа системности решающее значении сыграло учение В.И.Вернадского о биосфере. Ключевые положения концепции биосферы:
1. Трактовка живого вещества как совокупности (единой системы) всех
растительных и животных организмов планеты,
которая выступает естественным компонентом земной коры, наряду с минералами и горными породами.
2. Выделение геологической роли живого вещества планеты. Согласно
В.И.Вернадскому, в прошедшие геологические эпохи живое вещество по уровню своей геологической активности сопоставимо лишь с радиоактивными минералами Земли. В качестве основных свойств живого вещества
Вернадский выделил: массу (вес), геохимическую энергию и химический
состав
, - которые в совокупности определяют интенсивность его важнейших
142
Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. Синергетический подход. М.,
2001
243 геологических функций (газовую, концентрационную, окислительно- восстановительную, метаболическую).
3. Основные формы существования живого вещества представляют собой системные объекты:
пленки - в океане (например, планктонная и донная);
сгущения - в атмосфере, гидросфере и в пограничных областях (области приливов и отливов, прибрежные морские и океанические территории, а такжеьозера, пруды, реки, грунтовые воды, болота, торфяники, леса, степи, луга);
разрежения - в атмосфере (воздушное пространство в горах), в гидросфере (нижние слои некоторых морей, ледяные покровы) и в литосфере
(пустыни различных типов, ледники, пески, скалистые обнажения).
Разрежения разбросаны среди сгущений живой природы и взаимодействуют с ними. Сгущения одного типа переходят в другие (лес/степь) или происходит видоизменение сгущений (хвойный лес/лиственный лес).
Строение и состав живого вещества представляет собой единство живого и косного, биогенного и абиогенного, живого и мертвого.
143
В структуру живого вещества входят: 1) сами живые организмы, 2) их жизненная среда - та часть косной (абиотической) природы, жидкой, твердой и газообразной, необходимая для поддержания жизнедеятельности организмов;
3) выделения живых организмов (газы, пот, экскременты), находящиеся в земной коре; 4) отмершие и отмирающие части организмов, трупы и их остатки на земной поверхности (которые насыщены разнообразными организмами и микроорганизмами, до конца использующими отмершие ткани).
Понятие живого вещества, введенное Вернадским, не отменяло традиционную в биологии классификацию видов живой природы, а дополняло ее новым системным содержанием. Если традиционная систематика основывалась на
единстве клеточной структуры живого, и строилась структурно (начиная с одноклеточных), то у Вернадского систематизация живого строится на
биогеохимической основе, а его единство обеспечивается обменными процессами в биосфере. Живое вещество проявляет себя на всех уровнях биологической организации и в пределе охватывает всю живую материю Земли.
Согласно
системному биокосмическому принципу Вернадского необходимо рассматривать живую природу Земли как целостную систему, взаимодействующую с вещественно-энергетическими процессами, протекающими в земных, околоземных и отдаленных пространствах Космоса.
143
Вернадский В.И. Биосфера. М., 1967.
244
Такое обобщение, вводя новые функциональные системы в виде обменных циклов (биогеоценозов), позволяло рассматривать биосферное единство в его внутренних и внешних взаимосвязях.
Предметом исследования в естествознании становится биосфера как целостная эволюционирующая и поддерживающая себя система, которая характеризуется устойчивостью, взаимосвязью систем и состояний разного уровня, качества и состава. Геологическая роль живого вещества
(выступающего особым химическим агентом) связана с его чрезвычайной активностью. Живое вещество не просто приспосабливается к внешней среде, а само формирует эту среду, преобразуя ее в свою среду обитания.
Приспосабливая косную среду к себе, живое вещество создает благоприятные условия для максимального проявления своих геохимических возможностей.
Для достижения этого эффекта необходимо, чтобы отношения между организмами и их сообществами характеризовались не только взаимной конкуренцией и борьбой, но также и сотрудничеством и взаимопомощью. В целом биосферное единство в его феноменальной устойчивости характеризуют взаимодополняющие трофические (пищевые) связи и круговорот живого вещества. Примером геохимической активности живого вещества выступает атмосфера, которая является следствием геохимической деятельности растительного мира, играющего также роль связующего звена живого вещества Земли с Космосом.
Учение о живом веществе и биосфере в настоящее время служат фундаментальными теоретическими основаниями биогеохимии, а также тех уже существующих и вновь возникающих наук о Земле, которые принято называть науками биосферного цикла: биоэкологии, биогеоценологии, экологической биогеографии, биогеология, геогигиены, медицинской экологии, геохимической экологии, морской биологии и др.
Расширением биосферного принципа выступает системно-генетический
принцип,
который подчеркивает реальность скрытых системных условий, закономерно направляющих динамику самоорганизующейся системы, и их роль в рождении нового порядка. Жизненное пространство, образующее макроуровень жизни системы, очерчено единством системных условий, которые с точки зрения элементов самой системы (микроуровня) воспринимаются как априорные ограничения. Изменение системных макроусловий оказывается эволюционным фактором, требующим кардинальной перестройки системы. Новая структура и ее новые свойства вроде бы не имеют видимых оснований. Такой характер возникновения
245 специфических для новой целостности свойств в истории мысли получил название эмерждентной эволюции. Наглядный пример принципа эмерждентности дает принцип действия калейдоскопа. В этом же ключе развиваются представления о системной детерминации в современной биологии.
Междисциплинарный принцип системности и принцип самоорганизации выступают концептуальным основанием в формировании мировоззренческой позицииглобального эволюционизма, утверждающей всеобщий характер эволюции во Вселенной.
3.3 Глобальный эволюционизм
История становления глобального эволюционизма связана с проблемой обоснования антропного принципа, выдвинутого в физике в 60-х гг. XXв., а также с распространением эволюционного подхода в системе естествознания.
Слабый антропный принцип подчеркнул неслучайность физических характеристик Вселенной. Выдвижение сильного антропного принципа, согласно которому Вселенная находится в непрерывном процессе эволюции, и появление в ней жизни и разума – закономерный результат этого процесса, - определило стратегию глобального эволюционного подхода к структурной организации Вселенной.
Естественнонаучные основания глобального эволюционизма составили: эволюционные теории в биологии, учение о живом веществе и биосфере, эволюционные теории в космологии, в частности теория Большого взрыва и ее подтверждения (явление красного смещения, реликтовое излучение), теория самоорганизации.
Общими (философскими) основаниями междисциплинарной концепции глобального эволюционизма выступили: принцип детерминизма в современной интерпретации вероятностного детерминизма и макродетерминизма, а также идея развития мира и всеобщей взаимосвязи явлений (впервые высказанная в XIXв. в учении диалектического материализма).
Главный тезис глобального эволюционизма: все познанная история
Вселенной как самоорганизующейся системы от Большого взрыва до
возникновения человечества представляет собой единый процесс развития,
который характеризуется преемственностью механизмов космической,
химической, биологической и социальной эволюции.
Эволюционное развитие в этом контексте понимается как закономерно направленный процесс необратимых качественных изменений мирового
246 единства. В отличие от эволюционной теория в биологии, только констатирующей определенную преемственность человека в ряду животного мира природы, но не объясняющей необходимости появления человека и социума, в глобальном эволюционизме утверждение закономерности появления человека – принципиальная исходная позиция, определяющая программу поиска механизмов согласования разных типов эволюции: от космической – до социальной.
В зависимости от схемы анализа единого эволюционного процесса: по
«восходящей» линии (от элемента – к сложно организованным системам) или по «нисходящей» линии (от единой гармонии Вселенной или от самой сложной формы материальной самоорганизации – к элементарным структурам), - различают две позиции.
144
В первом случае глобальный характер эволюции прослеживается от уровня элементарных структур и процесса самоорганизации в чистом виде (например, вихревые образования) до сложных иерархически организованных систем в природе и обществе.
Утверждается, что генетическое и структурное единство эволюционного процесса определяется низшими уровнями самоорганизации материи. Другую линию анализа предложил Пьер Тейяр де Шарден, полагая, что генетическое и структурное единство эволюционных процессов определено высшими уровнями самоорганизации материи. Представление о человеке как своеобразном «ключе» не только к анатомии обезьяны, но и к универсуму
Вселенной, косвенно развивает и сильный антропный принцип, в соответствие с которым тонкая подстройка Вселенной определена закономерностью и необходимостью появления на определенном историческом этапе разумного наблюдателя.
В глобальном эволюционизме термин «эволюция» содержательно отличается от сходных понятий изменения и развития.
Эволюция связывается с появлением принципиально новых, ранее не имевшихся параметров или систем.
Развитие связывается с
появлением новых признаков системы, которые, однако, не являются принципиально новыми для мирового единства.
Появление клетки как основы живой природы, например, - эволюционное явление, но обменные процессы, а также процессы, происходящие при рождении каждой отдельной клетки, изменения в результате ее деления, описываются термином «развитие». Категория «изменение» указывает на процессы, происходящие без появления новых определений. Например, процессы, происходящие в современных астрономических объектах,
144
Миклин А.М. Эволюционная теория: век XX. СПб., 1999.
247 представляются в терминах изменения и развития (движение планет
Солнечной системы, циклы Солнечной активности и т.д.). Эволюционное формирование наблюдаемых космических тел и образований произошло на определенном этапе развития Вселенной. Сейчас мы наблюдаем лишь изменение их параметров. То же можно сказать о геологических системах.
После завершения эволюционного этапа система изменяется, но ее изменения не носят эволюционного характера.
Постоянно эволюционирующей системой выступает только мир в целом. Отдельные эволюционные процессы: на космическом, уровне, геологическом, химическом, биологическом, социальном – представляются собой частные реализации глобальной эволюции мира на разных временных этапах истории
Вселенной.
В качестве эволюционирующих систем выделяются только две: весь Мир и форма движения, являющаяся авангардом. Глобальная эволюция Мира отличается от эволюции отдельных систем своей непрерывностью и переносом процесса эволюционных изменений с одного вида движения на другой. Эволюционный процесс в отдельной системе необходимо заканчивается при достижении некоторого равновесного состояния, а эволюция продолжается в последующем виде движения. В авангардной форме движения всегда можно выделить эволюционный параметр, который непрерывно изменяется и связан с появлением новых характеристик и определений данного типа движения. Этот параметр относится к эволюционирующей системе в целом. Например, на уровне социальной эволюции, он относится к единому социуму, а не к расцвету и упадку отдельных государств.
Позиция глобального эволюционизма регламентирует преемственность типов эволюции на основании временности эволюционного развития той или иной системы. Геологическая система была авангардом эволюции на определенном этапе эволюции Мира и завершилась образованием геологических структур и физического мира Земли. На предыдущем этапе, в результате космической эволюции возникла структурная Вселенная.
Возникновение биологических систем также было возможно на конкретном этапе, при конкретных физических параметрах, которые невозможно восстановить в данный момент.
Глобальный эволюционизм подчеркивает, что в рамках каждой научной системы, объясняющей и изучающей ту или иную форму движения, должен присутствовать механизм развития, приводящий к внутренним
248 противоречиям, которые разрешаются при переходе к следующему этапу или следующей системе.
Теоретические посылки глобального эволюционизма можно свести к следующим положениям.
1. Эволюция предстает как процесс движения Мира через самоопределение нового порядка, как поэтапное возникновение новых равновесных состояний.
2. Научные теории, относящиеся к отдельным видам движения, принципиально несводимы. Появление основных видов взаимодействий происходит в эволюционной (временной) последовательности.
3. Адекватное принципиальное описание мировых взаимодействий и форм движения, может дать не единая система уравнений, а математический аппарат, содержащий элемент развития. Если некая система уравнений описывает определенные процессы, то в ней должен быть параметр, при изменении которого, система становится неоднозначной – появляются противоречивые решения. Введение нового параметра, компенсирующего противоречивые решения, приводит уже к другой системе уравнений, которая не сводится математическими преобразованиями к предыдущей и описывает уже другой тип процессов.
4. Антропный принцип, который формулируется как:
Слабый антропный принцип: разум – один из видов мирового движения.
Его носителем выступает социальная система.
Сильный антропный принцип: разум – обязательный этап эволюции
Мира.
Финалистский антропный принцип: разумная форма движения Мира – неотъемлемый этап, определяющий его дальнейшее развитие. Во Вселенной должна возникнуть разумная обработка информации и, раз возникнув, она никогда не прекратится.
145
Скачать 1.6 Mb.