Роль физических констант в объяснении мира

Реферат по теме: "Роль физических констант в объяснении мира". Выполнена качественно ...

Анализ размерностей физических констант приводит к пониманию того, что они играют очень важную роль в построении отдельных физических теорий. Однако, если попытаться создать единое теоретическое описание всех физических процессов, т.е., другими словами, сформулировать унифицированную научную картину мира от микро - до макроуровня, то главную, определяющую роль должны играть безразмерные, т.е. «истинно» мировые константы. Это и есть константы основных взаимодействий.
Фундаментальные взаимодействия, качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

Физика входит в 21-й век с большим клубком нерешенных проблем. Если в конце 19-го века в физике было «все благополучно» за исключением отрицательных результатов опыта Майкельсона и непонятной зависимости излучения абсолютно черного тела от температуры, то к концу 20-го века физика накопила невиданное количество нерешенных проблем. Наиболее важные из них можно найти в недавно опубликованном В.Л.Гинзбургом списке 1999 года.

2. о пространственно – временной структуре реальности.
3. о свойствах изучаемых объектов;
4. об общих закономерностях взаимодействия, функционирования и развития.
Фундаментальные допущения носят специфический характер и принимаются за условно неопровержимые. В их число входит набор теоретических постулатов, представлений о способах взаимодействия и организации в систему, о генезисе и закономерностях развития универсума. В случае столкновения сложившейся картины мира с контр примерами или аномалиями для сохранности центрального теоретического ядра и фундаментальных допущений образуется ряд дополнительных частно научных моделей и гипотез. Именно они могут видоизменяться, адаптируясь к аномалиям.
В развитии современных научных дисциплин особую роль играют обобщенные схемы – образы предмета исследования, посредством которых фиксируются основные системные характеристики изучаемой реальности. Все эти представления могут быть описаны в системе онтологических принципов, которые выступают как основание научных теорий соответствующей дисциплины. Каждая из конкретно-исторических форм картины исследуемой реальности может реализовываться в ряде модификаций, выражающих основные этапы развития научных знаний.
Каждая картина мира строится на основе определенных фундаментальных научных теорий, и по мере развития практики и познания одни научные картины мира сменяются другими. Так, естественнонаучная (прежде всего физическая) картина строилась с начала на базе классической механики, затем электродинамики, потом – квантовой механики и теории относительности, а сегодня – на основе синергетики.
Переход от механической к электродинамической, а затем к квантово-релятивистской картине физической реальности сопровождался изменением системы онтологических принципов физики. Особенно радикальным он был в период становления квантово-релятивистской физики (пересмотр принципов неделимости атомов, существования абсолютного пространства – времени, лапласовской детерминации физических процессов).
Представления о мире, которые вводятся в картинах исследуемой реальности, всегда испытывают определенное воздействие аналогий и ассоциаций, почерпнутых из различных сфер культурного творчества, включая обыденное сознание и производственный опыт определенной исторической эпохи.
Нетрудно, например, обнаружить, что представления об электрическом флюиде и теплороде, включенные в механическую картину мира в XVII веке, складывались во многом под влиянием предметных образов, почерпнутых из сферы повседневного опыта и производства соответствующей эпохи. Здравому смыслу XVII столетия легче было согласиться с существованием немеханических сил, представляя их по образу и подобию механических. Например, представляя поток тепла как поток невесомой жидкости – теплорода, падающего наподобие водяной струи с одного уровня на другой и производящего за счет этого работу так же, как совершает эту работу вода в гидравлических устройствах.
Развитие физики показывает, что происходит непрерывное движение от понимания отдельных, частных проблем ко все более общим законам природы.
Появление релятивистской механики Эйнштейна отнюдь не отменило классическую физику Ньютона. Последняя оказалась следствием механики Эйнштейна при условии, что скорости движения малы по сравнению со скоростью света. Законы макроскопической механики являются следствием законов квантовой механики, управляющих микромиром.
На эмоционально-лингвистическом уровне можно в шутку сказать, что Ньютон внес «новый тон» (new tone) в описание динамических законов природы или вообще построил целый «новый город» в современной для того времени физике (new town), оправдывая тем самым свою знаменитую фамилию Newton. А на то, что соответствующие фундаментальные законы природы вообще должны представлять собой нечто принципиально единое и незыблемое как некий монолит или один-единственный краеугольный камень, или короче — просто один камень (ein Stein), — на это обратил должное внимание как раз Эйнштейн, опять-таки как бы оправдывая, словно по воле Провидения, свою столь же знаменитую фамилию Einstein.
В современной пост неклассической физике замечено, что с каждым новым шагом развития ее основные законы и теории как бы упрощаются, становятся более фундаментальными. Как сказал А. Мигдал, «в науке в отличие от искусства глубокая мысль выигрывает от упрощения». Естественно, новая теория должна переходить в старую в тех условиях, для которых эта старая теория была установлена. Это позволяет отделять, согласно М. Гелл-Манну, возможное от еще не изученного.
Ученый должен быть непредвзятым и отказываться от привычных представлений только тогда, когда новые представления не противоречат установленным фактам. Все большее число известных ранее законов и положений становится следствием более общих. При этом старые утверждения, как часть новых, можно вывести, опираясь на законы формальной логики. Например, по мере развития физики число фундаментальных взаимодействий и фундаментальных частиц уменьшилось. Почему это происходит, не совсем понятно, но это исторический факт, который интуитивно еще в XIV в. был осознан францисканским монахом и философом У. Оккамом и получил название принципа бритвы Оккама. Его утверждение гласит: «Чем ближе мы находимся к некоторой истине, тем проще оказываются законы, выражающие эту истину» или: «не приумножай сущностей сверх необходимого», т.е. объясняй факты простейшим способом. Это одна из аксиом науки.
Возможно, число законов природы конечно, но способы познания их, т.е. наука, остаются при этом бесконечными. Как сказал Р. Фейнман: «Может быть, вещь проста только тогда, когда ее можно исчерпывающим образом охарактеризовать несколькими различными способами, еще не зная, что на самом деле ты говоришь об одном и том же». Кроме того, познанные законы природы показали, что установление рамок, границ, в пределах которых действует та или иная физическая модель, также является своего рода фундаментальным законом.
Как сказал Л. Ландау: «Главное в физике — это умение пренебрегать».
По существу, все физические теории, основанные на предыдущих, надежно установленных и объясненных наукой наблюдениях, сузили круг тех вопросов, которые можно задавать природе. Как справедливо указывалось в, «осознание новых ограничений стало признаком фундаментальных теорий».
4. Куб фундаментальных физических теорий
Гравитационной механикой (GM) Ньютона является вторая фундаментальная теория, она содержит Ньютоновскую универсальную мировую гравитационную постоянную G.
Третьей фундаментальной физической теорией стала электродинамика Максвелла и связанная с ней СТО Эйнштейна, или релятивистская механика (RM), где в качестве универсальной мировой постоянной рассматривают скорость света с — предельно возможная скорость распространения физических воздействий.
Четвертой фундаментальной физической теорией, основанной на постулатах Бора, является квантовая механика (QM), содержащая универсальную мировую константу постоянную Планка h как минимально возможный квант действия.
Пятой фундаментальной физической теорией стала ОТО Эйнштейна, т.е. релятивистская гравитационная механика (RGM), содержащая универсальные мировые константы си Си учитывающая искривление гравитационного поля при скоростях, близких к с.
Шестой фундаментальной физической теорией считается релятивистская квантовая механика (RQM), содержащая мировые универсальные постоянные с и h. И наконец, еще две, которые, вообще говоря, еще только должны быть.
Седьмая — квантовая гравитационная механика (QGM), необходимая для описания сингулярностей (черных дыр и первых мгновений БВ). В ней отчасти уже оперирует квантовая электродинамика с универсальными постоянными h и G.
Восьмой, с позиции такой классификации — последней, должна стать искомая пока квантовая релятивистская гравитационная механика (QRGM), содержащая все три мировые универсальные постоянные h , с и G.
Вероятно, в связи с трехмерностью описания нашего пространства требуются только три необходимые независимые универсальные константы (и в этом суть аналогии с кубом), в качестве которых могут выступать любые эквивалентные им параметры, непосредственно связанные с экспериментом, но непременно три. Все эти механики взаимосвязаны между собой подобно ионам в узлах кубической кристаллической решетки.
Так, классическая ньютоновская механика (М), которая еще учитывает универсальную постоянную гравитационного взаимодействия, конечность физически возможной скорости распространения всех физических воздействий и принципиально дискретный квантовый характер любого физического действия, является предельным случаем гравитационной (GM), релятивистской (RM) и квантовой (QM) механик, т.е. соответственно получается из них при G —> 0, 1/с —> 0 и h —> 0.
Аналогичным образом гравитационная (GM), релятивистская (RM) и квантовая (QM) механики представляют собой соответствующие предельные случаи релятивистской гравитационной механики (RGM), релятивистской квантовой механики (RQM) и квантовой гравитационной механики (QGM). Очевидно, что релятивистская гравитационная механика (RGM), релятивистская квантовая механика (RQM) и квантовая гравитационная механика (QGM) являются предельными случаями квантовой релятивистской гравитационной механики (QRGM).
5. Современная физическая картина мира
Подведем теперь краткий итог рассмотренных выше идей современной естественно - научной картины мира на основе пост неклассических физических представлений или той физики, которая, по терминологии И. Пригожина, является физикой существующего.
Современная естественно - научная картина отличается более фундаментальным уровнем рассмотрения явлений природы. Современные физические теории имеют дело с самыми основными понятиями, свойствами, состояниями природы, такими, как время, пространство, масса, заряд, поле, вакуум и т.д. Создана теория атома, объясняющая стабильность атомов, периодичность свойств химических элементов, образование химических связей различных видов, объясняющих многочисленные и разнообразные физические и химические явления. Установлено строение атома и составляющих его частиц. В итоге сформулирована последовательная концепция атомистического строения материи, согласно которой все сущее состоит из 12 фундаментальных фермионов: 6 кварков различных ароматов и цветов и 6 лептонов с различными лептонными зарядами.
Все многообразие природных явлений объясняется взаимопревращением этих частиц и их взаимодействием, которые сводятся к четырем видам фундаментальных взаимодействий — гравитационному, сильному, слабому и электромагнитному. Предполагают, что переносчиками взаимодействия (носителями полей) являются частицы — фундаментальные бозоны, фотон, гравитон. Предпринимают попытки объединить эти взаимодействия в одно. Важно также, что результаты исследования микромира дают возможность по-новому осмыслить процессы мегамира — рождение и эволюцию звезд, галактик, всей Вселенной. Считается, что в окрестностях точки Большого Взрыва при Т> 1032 К эти все взаимодействия были объединены.
Другим существенным моментом является то, что современная естественно - научная картина Мира основана на фундаментальном вероятностном принципе обобщения закономерностей. Этот принцип, вытекающий из квантовой физики, можно распространять и на гуманитарный подход к изучению мира, т.е. использовать физические модели, в том числе статистические физические модели, для описания природы, социума и общества в целом. При этом природа, общество, Вселенная рассматриваются в развитии, во взаимодействии их сущностей. Так, ОТО связала пространство — время, квантовая теория доказала условность разделения вещества и поля.
Выяснилась тесная взаимосвязь таких свойств объектов природы, как симметрия — асимметрия, хаос и порядок, дискретность и континуальность. Классическое естествознание на разных этапах развития картин мира рассматривало физические модели описания объектов как замкнутых систем с линейными зависимостями описывающих их параметров. В современной картине мира рассматривают уже более распространенные в природе открытые системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Для них характерны разнообразие, неустойчивости эволюции, нелинейные соотношения, процессы самоорганизации.
Синергетический подход применим к объяснению самых разнообразных явлений в мире.
Выяснилось, что нелинейность присуща не только чисто физическим процессам, но и большинству других — биологических, психологических, социальных, экологических, демографических, политических, экономических и др.
Поэтому в синергетической картине мира с единых позиций можно объяснить большинство глобальных процессов, используя нелинейность связей в различных моделях и системах. Использование методов и понятий синергетики позволяет прогнозировать эволюцию систем различной природы через процессы самоорганизации материи. Понятия бифуркаций, возникновения новых упорядоченных структур из хаоса и возможность управления процессами через малые управляющие параметры дают возможность более адекватно рассматривать природу самых разнообразных явлений, а в социально-экономических проблемах принимать правильные решения. Новые структуры возникают в точках бифуркации, когда еще не ясно, куда будет двигаться система, но тенденцию можно спрогнозировать или проанализировать выбором решений и путей развития. Само научное знание развивается так же, как открытая система, — по законам самоорганизации. Постнеклассическое естествознание рассматривает мир как процесс, и в синергетической картине он представляется глобальной иерархической самоорганизующейся системой.
Окружающий человека мир, безграничный в пространстве и времени, дает грандиозную картину мироздания, в которой все связано со всем. Жизнь природы, Земли, Вселенной, физическая и духовная жизнь человека, жизнь и эволюция общества — все подчинено единым фундаментальным законам природы.
Человек всегда пытался определить эту глобальную взаимосвязь всего со всеми разными способами и понять свое место, роль и предназначение в мире. Развитие науки, и прежде всего физики как способа познания, позволило построить некие модели — системы понимания и описания картины мира на основе существующего знания. На разных этапах развития человечества были построены механическая, электромагнитная, квантово-механическая, синергетическая картины мира. Это отражает лишь бесконечный процесс познания, приближения к единой эволюционной картине мира и обусловливает принципиальную незавершенность научной картины мира. Современная наука пытается переосмыслить познанное, преодолевая необъясненные парадоксы и стереотипы мышления, создавая новую мировоззренческую парадигму.
В свое время механический взгляд, создавший рациональный метод объяснения мира, позволил объяснить и предсказать его развитие, но отделил человека и Бога от существующего мира.
Лапласовский детерминизм тем самым выделил естественные науки из общего холистического понимания всего сущего. Физика отделилась от гуманитарного знания, последующее проникновение в природу вещей на основе естественных наук на самом деле позволило лишь увидеть глубину, сложность и непознанность мира, хотя это, конечно, не означает прекращения попыток познать его!
Оказалось, что на фундаментальном уровне природа едина, все грани в ней весьма условны и только лишь отражают последовательное приближение коллективного разума человечества к познанию мира. Об этом писал Моисеев: «Очень многое не ясно и скрыто от нашего взора. Тем не менее, сейчас перед нами развертывается грандиозная гипотетическая картина процесса самоорганизации материи от Большого Взрыва до настоящего времени, когда материя познает себя, когда ей присущ Разум, способный обеспечить ее целенаправленное развитие».
Единство всего сущего и его различных проявлений должно обусловливать и сближение, взаимопроникновение естественно - научного и гуманитарного подходов к познанию мира. При этом меняется также и роль исследователя в этом процессе познания: он сам становится неотъемлемой частью создаваемой им картины мира, которая вследствие этого перестает быть только естественно - научной. Поэтому возрастают роль нелогической компоненты мышления в познании, влияние интуитивных, близких художественному творчеству приемов в познании Истины. Правильнее считать, что современная картина мира должна строиться на базе парадигмы естественной и гуманитарной культур, целостного, непредвзятого взгляда на мир. Поэтому наука есть основа взаимопонимания, искусство — основа мировосприятия, а их сумма — основа гармонического восприятия всего мира, человеческого мироощущения. В представления современной естественно - научной картины мира органично вписываются также идеи В. Вернадского о ноосфере как симбиозе человечества и остальной природы, обеспечивающей их коэволюцию, взаимодействие и способ существования.
Можно надеяться, что новый целостный взгляд на мир, общество, жизнь в рамках современной концепции естествознания позволит человечеству в XXI в. разумно решать глобальные проблемы демографического, экологического, политического и социально-экономического характера. Не забывая при этом предостережение С. Хокинга: «Предположение, что законы физики, открытые и изученные в лаборатории, будут справедливы в других точках пространственно-временного континуума, безусловно, очень смелая экстраполяция». И все же согласимся с А. Эйнштейном, что «самое удивительное в природе это то, что мы можем ее понять». И «наша первейшая задача — научиться слушать природу, чтобы понять ее язык» (И. Тамм), а «то, что мы видим, зависит от того, куда мы смотрим» (Е. Лец).
Исследования показывают, что Вселенная, в которой мы живем, удачно приспособлена для нашего существования. Основные свойства Вселенной объясняются значениями нескольких фундаментальных постоянных (гравитационная постоянная, масса протона и электрона, заряд электрона, скорость света и др.).
В наблюдаемой Вселенной существует удивительное совпадение, вернее согласование энергии расширения Вселенной и ее гравитационной энергии, значения фундаментальных констант гравитационного, сильного, слабого, электромагнитного взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивает возможность возникновения галактик и звезд, в том числе стабильных, в которых термоядерные реакции протекают в течение многих миллиардов лет.
Для иллюстрации связи характеристик Вселенной с физическими константами представьте себе, что произошло бы при изменении значений фундаментальных мировых постоянных. Например, если бы масса электрона была в 3-4 раза выше ее нынешнего значения, то время существования нейтрального атома водорода исчислялось бы несколькими днями. А это привело бы к тому, что галактики и звезды состояли бы преимущественно из нейтронов, и многообразия атомов и молекул в их современном виде просто не существовало бы.
Современная структура Вселенной очень жестко обусловлена величиной Концепции современного естествознания т. е. разницей в массах нейтрона и протона. Разность очень мала и составляет всего около 10-3 от массы протона. Однако если бы она была в три раза больше, то во Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы сложных элементов. Увеличение константы сильного взаимодействия всего на несколько процентов привело бы к тому, что уже в первые минуты расширения Вселенной водород полностью бы выгорел и основным элементом в ней стал бы гелий.