ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭВОЛЮЦИЮ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Хлопков Антон Юрьевич

спирант, МФТИ, г. Жуковский

Email:

Зея Мьо Мьинт

канд. физ.-мат. наук, докторант, МФТИ, г. Жуковский

Email: zayyarmyomyint@gmail.com

Хлопков Юрий Иванович

д-р физ.-мат. наук, профессор, МФТИ, г. Жуковский

Email:

Чжо Зин

аспирант, МФТИ, г. Жуковский

Email:

Классическая физика

Уравнения Максвелла имели для человечества

большее значение, чем французская революция.

Вернер Гейзенберг

Физический закон — эмпирически установленная и выраженная в строгой словесной или математической формулировке устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире. Согласно ньютоновской механике все физические явления происходят в трёхмерном пространстве, описываемом геометрией Евклида, находящемся вечно в состоянии абсолютного покоя. Все изменения в этом мире описывались в терминах абсолютного времени, не имеющего связи ни с материальным миром, ни с пространством и разделяющим события прошлого, настоящего и будущего с постоянной скоростью одна секунда в секунду. В этом пространстве двигаются маленькие, твёрдые, неразрушимые частицы, из которых состоит вся материя нашего мира и которые фигурируют в уравнениях движения в качестве «точек массы». Силы, действующие между телами, определяются исключительно их массой и расстоянием между ними. Ньютон полагал [1], что материя вечна и изначально пассивна, а пространство, время, частицы и силы созданы Богом. Может быть это и так, но современная физика у этих категорий установила принципиально другие свойства.

Механистический взгляд на природу и устройство нашего мира, согласно которому любая система и вся Вселенная в целом подчиняются одним и тем же динамическим законам и функционируют с точностью хорошо отлаженного часового механизма, и которым в настоящее время пользуются большинство людей и, к сожалению, не только в быту, часто приводит к фатальным погрешностям в создании физических, биологических, экономических и других моделей социального устройства. Квинтэссенцией подобного взгляда на природу является идея Лапласа [2]: «Интеллект, располагающий точными и подробными сведениями о местонахождении всех вещей, из которых состоит мир, и действии всех природных сил способен подвергнуть анализу огромное количество данных. Этот божественный УМ мог бы запечатлеть в одной и той формуле движение самых больших тел во Вселенной и мельчайших атомов. Для него не оставалось бы неясностей, и будущее, как и прошлое, показалось бы ему настоящим».

Расцвет классической физики приходится на XYIII—XIX века. Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил и движение тел на Земле и устройство Солнечной системы. Вдохновлённые блестящими успехами ньютоновской механики астрономы и физики использовали её для описания движения жидкостей и газов, колебаний упругих тел и вновь добились успеха. Даже теория теплоты, которая первоначально основывалась на таинственном теплороде, получила механистическое объяснение, по которому теплота представляет собой энергию, порождённую хаотическим движением молекул вещества.

Фундаментальной основой строгого детерминизма классической механики было декартовское разграничение между миром и человеком, лишённое упоминания о личности наблюдателя и дающее, якобы, объективное описание мира. Это было принципиальное отличие от основ не только современной физики, но и от религиозных подходов, на которых основывался сам Ньютон. Заложенное внутри классической физики противоречие породило и мощную волну свирепого атеизма, начатую французскими просветителями, и стало началом конца безграничного господства самой классической физики. Первый звонок прозвучал при попытках описать явления электричества и магнетизма, которые не допускали механистического толкования, свидетельствуя о существовании сил неизвестной до этого природы. Важный шаг в расширении механики Ньютона был сделан Майклом Фарадеем и Джеймс Клерком Максвеллом. Вместо того, чтобы утверждать, что два заряда взаимодействуют наподобие гравитационных масс, как это следовало из закона Кулона, они сочли более приемлемым утверждать, что каждый заряд создаёт вокруг себя возбуждение, которое они назвали полем. Вершиной этой теории, получившей название электродинамики, было осознание того, что свет является волной электромагнитного поля высокой частоты.

Несмотря на эти открытия в основе классической физики лежала все-таки концепция Ньютона:

• абсолютность, т. е. незыблемость и независимость пространства и времени,
• концепция структуры мира, состоящего из твёрдых неделимых частиц,
• объективность, т. е. независимость от наблюдателя исследуемых процессов,
• строгая причинная обусловленность всех физических процессов.

Cовременная физика

Когда видишь уравнение ,

 становится стыдно за свою болтливость.

Студенческий фольклор

Начало прошлого века кардинально изменило положение дел в физике. У истоков современной физики – великое свершение одного человека – Альберта Эйнштейна [3]. Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые мысли. Первая из них, подорвав сразу два незыблемых ньютоновских принципа – абсолютность пространства и времени и объективность получаемых результатов наблюдений стала основой специальной теории относительности. Вторая, повергнув принцип неделимости элементарных частиц и причинную обусловленность физических процессов, стала основой квантовой механики. Квантовая теория окончательно сформировалась через двадцать лет благодаря блестящей плеяде физиков, но теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн и его труды увековечили достижения человеческого разума, став своеобразными пирамидами человеческой цивилизации.

Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует независимо от него. Одно тесно связано с другим и вместе они образуют пространственно-временной континуум, в котором нет единого течения времени и разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых явлений, наблюдали бы разную их последовательность. Таким образом, все измерения во времени и пространстве теряют абсолютный характер, становятся относительными, а время и пространство – лишь элементы языка, используемого наблюдателем, для описания исследуемых явлений. В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая в отличие от специальной учитывала гравитацию, которая в свою очередь способна искривлять и время и пространство. Категории пространства-времени становятся настолько основополагающими, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Одно из них – осознание того, что масса есть одна из форм энергии, выраженное великим уравнением .

Второе – это то, что теория относительности делает пространственно-временной язык описания земных процессов абсолютным и обосновывает формальный приём Максвелла - выражения всех физических величин в размерностях пространства – L и времени – T.

В начале XX века было сделано ряд открытий, необъяснимых с точки зрения классической физики. Первое свидетельство о том, что атомы обладают внутренней структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей, которое тут же нашло практическое применение в медицине. Вскоре стали известны и другие виды излучения так называемых радиоактивных элементов, которые кроме практического значения, имели ещё и чисто научное. В результате бомбардировок атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационный результат. Вместо ньютоновских цельных частиц перед учёными предстали невероятно маленькие электроны, вращающиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии, прикованные к ядрам электрическими силами. Эта планетарная модель неожиданно объяснила гениальное открытие Менделеева – его таблицу химических элементов и, в принципе, всю химию с её различными химическими реакциями. Но в то же время поставило целый ряд принципиально новых вопросов, без разрешения которых было невозможно дальнейшее исследование атомных процессов.

Частицы, из которых состоит атом, не являются элементарными т.е. твёрдыми и не делимыми. Атом в основном состоит из пустоты – ядра, в котором сосредоточена практически вся масса, и вращающимися вокруг ядра на огромных расстояниях на несколько порядков превышающих размер ядра электронов. Если в центр купола самого большого Храма в России – Исаакиевского Собора поместить песчинку и она будет олицетворять ядро атома, то пылинки, вращающиеся вокруг него по образующей купола, будут олицетворять электроны. И в тоже время атом обладает удивительной стабильностью и физической твёрдостью. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом, и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Ни одна механическая система, включая планетарную, не выдержала бы таких нагрузок.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Твёрдость обусловлена двойственной природой материи – когда частица находится в ограниченном объёме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше её энергия и скорость. Электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру и чем сильнее притяжение, тем выше скорость – до нескольких сот километров в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, наподобие того, как вращающийся вентилятор воспринимается как сплошной диск. Однако атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе, поскольку электроны не частицы, а вероятностные волны, распределённые по орбитам в соответствии с квантовыми числами, обозначающими местонахождение, энергию, форму, вращение и скорость электронов. Взаимодействие электрической силы притяжения с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений в мире. Оно отвечает за все химические реакции и за образование всех молекулярных соединений, из которых состоят все твёрдые, жидкие и газообразные тела, включая живые организмы. Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при условии не очень высокой температуры, порядка 300 градусов Кельвина. При увеличении температуры на всего на два порядка возбуждаются внутренние степени свободы (колебательные, вращательные) и разрушаются все молекулярные структуры, что и имеет место внутри большинства звёзд, т.е. для большей части материи Вселенной. Для нашей планеты особенно важными являются ядерные процессы, происходящие в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство и обеспечивающее жизнь на Земле.

Очевидно, что в связи с субсветовыми скоростями элементарных частиц, квантовая теория не является единственным способом описания ядерных процессов, и должна быть дополнена теорией относительности. Существует несколько «квантово – релятивистских» моделей, но создание общей теории частиц остаётся основной из пока нерешённых задач физики. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии. Другими словами частица должна восприниматься как динамический процесс, вовлекающий энергию, которая и проявляет себя в виде массы. Начало новому взгляду на частицы положил Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для электронов. Теория Дирака не только успешно описывала сложные подробности строения атома, но и обнаружила фундаментальную симметричность материи и антиматерии, предсказав существование позитрона. Из принципа симметричности следует, что для каждой частицы существует античастица, равная ей по массе и противоположным зарядом. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в лучистую энергию при аннигиляции.

Это был важнейший этап в познании природы. До этого в физике считалось, что материя состоит из неразделимых элементарных частиц либо из сложных объектов, которые можно разделить на более мелкие. Вопрос был только в том, возможно ли бесконечное деление материи на всё более мелкие части, или существуют в конечном итоге мельчайшие неделимые элементы. Открытие Дирака обозначило новый подход к проблеме делимости вещества.

При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых, однако не меньше размеров и масс исходных частиц. Эти частицы такого же типа, возникающие из энергии движения, задействованной в процессе столкновения. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют менее одной миллионной доли секунды, после чего они распадаются на протоны, нейтроны и электроны. В этой связи частицы следует рассматривать не как самостоятельные сущности, а как неотделимые части целого и Вселенная представляет собой подвижную сеть нераздельно связанных динамических процессов, включающих в себя и наблюдателя.

Этот фундаментальный принцип красиво демонстрирует мысленный эксперимент Эйнштейна. Спин электрона может принимать два значения – по или против часовой стрелки или, как говорят физики, «вверх» и «вниз», но направление оси вращения неизвестно. Тем не менее, стоит выбрать некую ось и произвести измерения, как обнаружится, что электрон вращается именно вокруг этой оси в том или ином направлении. Другими словами, электрон приобретает определённую ось вращения в момент измерения. Рассмотрим систему из двух электронов со суммарным спином, равным нулю и неизвестными направлениями осей вращения. Предположим, что некие процессы, не влияющие на спин электронов, вызывают их удаление друг от друга на достаточно большое расстояние, например один из них перемещается на Луну. Измеряя спин одного из электронов, предположим мы получили значение «вверх». Но поскольку суммарный спин электронов равен нулю, спин лунного электрона должен быть «нижним». Каким образом лунный электрон мгновенно узнаёт, какую ось выбрал экспериментатор? Ответ один – система из двух электронов представляет собой неделимое целое, несмотря на большое расстояние, их разделяющее и систему нельзя рассматривать в терминах составных частей. Опираясь на этот эксперимент, Джон Белл доказал теорему, проливающую свет на фундаментальную взаимосвязь и нераздельную слитность Вселенной.

Таким образом влияние принципов современной физики на эволюцию человеческого общества можно сформулировать следующим образом.

• Пространственно-временной континуум является абсолютным языком описания всех процессов (физических, химических, биологических, экономических, социальных), происходящих на Земле.
• Материя, энергия, силы, взаимодействия – есть формы движения, т. е. свойства пространства-времени.
• Материальное единство мира заключается в том, что Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя.

Список литературы:

1.Вавилов С.И. Исаак Ньютон. — 2-е доп. изд. — М.-Л.: Изд. АН СССР, 1945. – 688 с. — Переиздание: — М.: Наука, 1989, с дополнением: Гинзбург В.Л. Несколько замечаний к биографии Исаака Ньютона.

2.Лаплас П.С. Изложение системы мира. — Л.: Наука, 1982. – 376 с.

3.Смирнов А.Р. Альберт Эйнштейн: поиск единства в природе и обществе. —2005.