Фундаментальные теории. Общая структура фундаментальных физических теорий и понятие состояния
Прочитайте текст и выполните задания 21-24.
<...> Наука - это исторически сложившаяся форма человеческой деятельности, направленная на познание и преобразование объективной действительности, такое духовное производство, которое имеет своим результатом целенаправленно отобранные и систематизированные факты, логически выверенные гипотезы, обобщающие теории, фундаментальные и частные законы, а также методы исследования.
Наука - это одновременно и система знаний, и их духовное производство, и практическая деятельность на их основе.
Для всякого научного познания существенно наличие того, что исследуется, и то, как оно исследуется. Ответ на вопрос о том, что исследуется, раскрывает природу предмета науки, а ответ на вопрос о том, как осуществляется исследование, раскрывает метод исследования.
Качественное многообразие действительности и общественной практики определило многоплановый характер человеческого мышления, разные области научного знания. Современная наука - чрезвычайно разветвленная совокупность отдельных научных отраслей. Предметом науки является не только внеположный человеку мир, различные формы и виды движения сущего, но и их отражение в сознании, т.е. сам человек. По своему предмету науки делятся на естественно-технические, изучающие законы природы и способы ее освоения и преобразования, и общественные, изучающие различные общественные явления и законы их развития, а также самого человека как существа социального (гуманитарный цикл). Среди общественных наук особое место занимает комплекс философских дисциплин, изучающих наиболее общие законы развития и природы, и общества, и мышления.
Предмет науки влияет на ее методы, т.е. приемы, способы исследования объекта. Так, в естественных науках одним из главных приемов исследования является эксперимент, а в общественных науках - статистика. Вместе с тем границы между науками в достаточной степени условны. Для современного этапа развития научного познания характерно не только появление смежных по предмету дисциплин (например, биофизика), но и взаимное обогащение научных методологий. Общенаучными логическими приемами являются индукция, дедукция, анализ, синтез, а также системный и вероятностный подходы и многое другое. В каждой науке различаются эмпирический уровень, т.е. накопленный фактический материал - итоги наблюдений и экспериментов, и теоретический уровень, т.е. обобщение эмпирического материала, выраженное в соответствующих теориях, законах и принципах; основанные на фактах научные предположения, гипотезы, нуждающиеся в дальнейшей проверке опытом. Теоретические уровни отдельных наук смыкаются в общетеоретическом, философском объяснении открытых принципов и законов, в формировании мировоззренческих и методологических сторон научного познания в целом <...>
(Спиркин А.Г.)
Можно также различать социологические теории по их преимущественной ориентации:фундаментальные иприкладные. Первые ориентированы на решение научных проблем, связаны с формированием социологического знания, концептуального аппарата социологии, методов социологического исследования. Они отвечают на два вопроса: «Что познается?» (объект) и «Как познается?» (метод), т. е. связаны с решением познавательных задач. Вторые ориентированы на решение актуальных социальных проблем, связаны с преобразованием изучаемого объекта и отвечают на вопрос: «Для чего познается?». Теории здесь различаются не по объекту или методу, а по той цели, которую ставит себе социолог, решает он познавательные задачи или практические.
Прикладные теории ориентированы на поиски средств для достижения намечаемых обществом практических целей, путей и способов использования познанных фундаментальными теориями законов и закономерностей. Прикладные теории непосредственно касаются определенных практических отраслей человеческой деятельности и прямо отвечают на вопрос: «Для чего?» (для социального развития, совершенствования социальных отношений и т. д.). Прикладной (практический) характер социологических теорий определяется тем вкладом, который они вносят в теории, прямо связанные с решением задач социального развития.
Признак «фундаментальности» не совпадает с признаком «теоретичности», и наоборот, хотя второй термин часто употребляется как синоним первого: теоретическая физика, теоретическая психология, теоретическая биология. Здесь «теоретический» означает не только теоретический уровень научного знания в отличие от эмпирического, но и его теоретическую, фундаментальную направленность в отличие от практической, прикладной.
Теоретическое знание в качестве фундаментального выступает в сопоставлении с прикладным, а не эмпирическим знанием и не исключает практической направленности. Такие характеристики, как «практический аспект», «прикладная функция», вполне приложимы к теоретическому уровню знания. Его антитезой является не прикладное знание, а эмпирическое.
Таким образом, деление теорий по ориентации на фундаментальные и прикладные достаточно условно, поскольку любая из них прямо или косвенно вносит определенный вклад в решение и научных, и практических задач. В строгом смысле следует говорить лишь о преимущественной ориентации той или иной теории: научной, фундаментальной либо практической, прикладной, что и дает основание для ее отнесения к определенной категории. То же относится и к эмпирическим социологическим исследованиям: они могут быть ориентированы на решение научных проблем, например на формирование специальной социологической теории, или практических, связанных, например, с совершенствованием социальной структуры общества. Фактически эти два аспекта социологического знания неразрывно связаны между собой и, будучи отнесенными к социологии в целом, в конечном счете образуют две из се функций: познавательную и практическую.
Итак, термины «фундаментальный» и «прикладной» обозначают аспект, направленность социологического знания в целом и не тождественны терминам «теоретический» и «эмпирический», обозначающим его уровни. В первом случае основанием деления является целевая установка, во втором - уровень абстракции.
Здесь следует отметить одно существенное обстоятельство. Деление социологических теорий на уровни и типы по различным основаниям (по объекту, уровню абстракции, социологической категории, подходу, методу, целевой установке и др.), т. е. построение их типологии, а в конечном счете их обоснованной иерархии, так или иначе отражает сложную структуру предмета социологии, способ его изображения, деления на «уровни», «стороны», «аспекты», «сферы». Говоря иначе, вопросы структуры предмета социологии и социологического знания тесно связаны между собой, а это, в свою очередь, означает, что адекватное изображение предмета социологии требует постоянного совершенствования методологических концепций, связанных с описанием структуры отображающего его знания.
Другие типы теорий
Различия междудинамическими истохастическими (от греч.stochasis- догадка)теориями состоят в характере тех законов и процессов, которые лежат в их основе. Динамические теории характеризуют поведение системы или объекта строго однозначно. В основе стохастических теорий лежат статистические законы. Эти теории описывают или объясняют поведение системы или объекта с определенной степенью вероятности. Стохастическое (или статистическое) объяснение раскрывает содержание системы (объекта) в виде определенных статистических зависимостей, которые выступают в качестве форм проявления закономерностей, детерминирующих поведение данной системы (объекта). Этот вид объяснения всегда включает в себя большую или меньшую степень вероятности. Это во-первых. И, во-вторых, стохастическое объяснение во многом зависит от теоретического анализа изучаемого объекта. Иначе статистическое объяснение будет оторвано от общих тенденций в развитии данного объекта, от того механизма, который описывается в статистических зависимостях.
Теории, описывающие изменения структуры изучаемого объекта, относятся к разрядутеории развития , а теории, описывающие факторы стабилизации его структуры, составляют класстеории функционирования.
Главное утверждение этой заметки состоит в том, что ядерная физика, которая вот уже лет 70 оставалась чисто эмпирической теорией, стала мало-помалу выводиться из первых принципов, из динамики кварков и глюонов.
Может показаться не очень понятным, а какая вообще разница -- эмпирическая у нас теория или фундаментальная? Чем одно предпочтительнее другого? Про это я и хотел бы здесь подробно рассказать.
1. Что такое эмпирические законы и что такое фундаментальная теория.
Рассмотрим конкретный пример -- движение планет вокруг Солнца.
Вначале Тихо Браге много лет следил за положением планет, но не пытался найти в них математический закон. Затем Кеплер взял эти записи и выяснил, что планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Кроме того, он заметил, что движение планет по эллипсам не равномерное, а такое, чтоб выполнялись некоторые законы (известные сейчас как законы Кеплера).
Это -- пример описательной, эмпирической теории. У нас есть формула -- т.е. просто обобщение экспериментальных данных, и вроде как природа этой формуле подчиняется, и на основе её можно делать предсказания относительно движения этих планет в будущем. Однако она не вычислена, не выведена ниоткуда, а значит, непонятно, какое свойство природы она описывает. Появляются вопросы, на которые в рамках этой описательной теории не ответишь. Обязаны ли быть только эллипсы, или же возможны другие орбиты, например, в форме восьмерки, а нам просто повезло, что планеты в солнечной системе вращаются именно так? А какого размера могут быть эти эллипсы, есть ли какие-то ограничения на их полуоси, на их вытянутость? А каковы будут орбиты планет, вращающиеся вокруг других звезд -- может всё это зависит от свойства центральной звезды? А как будут вращаться вокруг Солнца очень маленькие тела, размером с кирпич?
В общем, в эмпирических теориях/моделях каждый конкретный случай -- это отдельная сущность, отдельная данность свыше . Нет универсальности, нет понимания, в чём причина таких простых законов. (А они действительно чрезвычайно просты по сравнению теми петляниям и попытным движением, которое мы ВИДИМ с Земли.)
Ньютон построил точную, фундаментальную, глубинную теорию этого движения. Исходя из одного единственного закона -- всемирного тяготения -- он вывел эллипсы, все законы Кеплера, для всех планет и вообще для любых тел. Поставленные выше вопросы сразу же получают ответ.
Итак, в фундаментальные теории данность свыше только одна -- исходные уравнения. Все частные случае отсюда следуют.
2. Еще немного про эмпирические теории.
Примеры разных эмпирических теорий:
Вся средневековая (ал)химия до Лавуазье
-- термодинамика в 19 веке, до развития статистической физики
-- периодический закон Менделеева до создания квантовой физики
-- ранняя теория атомных спектров, основанная на постулатах Бора, до создания квантовой механики
-- множество теорий, описывающих свойства вещества, -- магнетизм, сверхпроводимость, сверхтекучесть, и т.п. -- до их микроскопической формулировки.
3. Теперь вернемся к ядерным силам.
Законы Кеплера -- это еще самая "чистейшая" из эмпирических теорий. В ней нет подгоночных параметров . В большинстве же эмпирических теорий не просто постулируются (на основе экспериментальных наблюдений) какие-то простые законы, но еще в них присутствуют некие численные параметры. Эти параметры просто подбираются так, чтоб данные описывались наилучшим образом. Откуда эти параметры берутся и почему они равны именно этим значениям, в эмпирических теориях не обсуждается.
Ядерная физика, которая есть просто определенная разновидность адронной физики низких энергий, одна из самых "грязных" -- в смысле, одна из самых "запараметризованных" -- из эмпирических теорий.
Экспериментальных данных много, поэтому обобщить их, увидеть в них какие-то простые закономерности нетрудно. Эти закономерности формулируются в виде ядерных нуклон-нуклонных сил плюс еще некоторые простые законы (на них были основаны ранние модели ядра: капельная модель, оболочечная модель). Это всё эмпирические теории. На основе них можно производить расчеты, чем физики-ядерщики уже 70 лет и занимаются. Можно даже предсказывать свойства еще не открытых ядер и т.д. Это всё работает.
Настоящего теоретика это не может удовлетворить именно по той же причине, что и раньше. В таком описании каждая экспериментальная особенность -- это "данность свыше". Профиль нуклон-нуклонных сил, профиль трехнуклонного взаимодействия (оно вовсе не разлагается в простую сумму попарных сил), сложный закон изменения этих сил при повышении температуры в ядре, тенденция образовывать особенно устойчивые островки внутри ядер...
Но это всё были только нуклоны. А ведь в ядро можно поместить и более экзотические частицы, лямбда-гипероны, сигма-гипероны и т.д. и изучать свойства этих гипер-ядер. И опять -- для каждого нового гиперона приходится извлекать из опыта закон парного взаимодействия, как друг с другом, так и с нуклонами, и т.д.
ВСЕ эти вещи в эмпирической теории приходится определять из экспериментальных данных отдельно. Численные параметры в этих моделях -- массы, коэффициенты связи разных частиц друг с другом и т.д. -- тоже не сосчитаешь, а надо подбирать вручную, чтоб кривые наилучшим образом описывали данные.
Это очень досадно, потому что мы-то знаем, что всё это должно сводиться к взаимодействую кварков и глюонов. Более того, физики знают ТО САМОЕ уравнение, из решения которого должно получиться всё вышеперечисленное: и массы, и коэффициенты связи, и профиль потенциала нуклон-нуклонных сил. Беда лишь в том, что это уравнение очень трудно решить .
Это примерно, как если бы у преступника в руках была банковская карточка с миллионом долларов, но он не знал бы пин-кода:) Он бы всеми силами искал способ его узнать, не находил бы себе места. Примерно такое ощущение и у физиков, только они сдерживаются в проявлениях:)
Подведу итог про теории разного уровня.
1. Чисто эмпирические теории. Есть законы, полученные обобщением экспериментальных данных, но откуда они берутся и что подразумевают -- непонятно. Никакой глубокой точной теории нет.
2. Глубинный закон есть, но он слишком сложен, и его решения для изученных в эксперименте ситуаций получить не удается. В этом случае он ничем нам не помогает, и нам всё равно приходится прибегать к эмпирическим моделям.
3. Глубинные уравнения удается решить численно, на компьютере. Тогда законы, построенные в эмпирической теории можно проверять. Если они подтверждаются, то говорят, что этот закон выведен из первых принципов.
4. Глубинная теория допускает аналитическое решение. Есть формулы для всего, что надо.
В заметке Наступает новая эра в теоретической ядерной физике как раз описывается, что ядерная физика постепенно переходит из категории 2 в категорию 3.
Стена твердая, а если наливать воду в кислоту, произойдет выброс. Все физические законы плотного мира, все научные теории , реализованные в конкретные дела, созданы человеком. Люди сами создали себе мир, в котором живут. На заре... , в любом деле нужна абсолютная, непоколебимая вера, расширение сознания, и огромное терпение. Иисус Христос на собственном примере продемонстрировал возможности человека. Находясь в плотном мире, по своему физическому строению ничем не отличаясь от людей, кроме...
https://www.сайт/religion/13237
И того, что во все эти эпохи существовали одни и те же семейства живых организмов. То есть обнаружение, к примеру , динозавров, существовавших непрерывно с протерозоя до кайнозоя, кайнозойских трилобитов, силурийских мамонтов, рифейских археоптериксов и т. п. Но этого... свои корни и основание в монотеистической религии (Головин, 2001). Однако в действительности эволюционизм может быть признан научной теорией , а современный креационизм – не может, по меньшей мере, по двум причинам. Во-первых, в...
https://www..html
Отвергнута третья гипотеза, а вторая, полуконсервативная получила права гражданства. Этот - повторяю, классический - пример показывает, как при настоящем поиске Истины добросовестно рассматриваются и испытываются различные гипотезы. Настоящий ученый... И если в наше время находятся люди, “ниспровергающие” молекулярную генетику, теорию относительности или другие твердо установленные и проверенные научные теории , то это либо малограмотные невежды, либо откровенные шарлатаны. Напротив, магистральный...
https://www..html
И показывает действительную роль человека в мире. Домарксистская материалистическая философия, не имевшая научной теории общества, созерцательная по существу, объявляла человека частью природы, а природу уподобляла гигантскому механизму, где... использования реактивного принципа движения, следуя которому человек может преодолеть земное притяжение. Современная научно -техническая революция ускоряет превращение человеческой деятельности в космический фактор. Открытия естествознания и техники...
https://www..html
... научную теорию Вселенной. Эта теория была окончательно сформирована в середине двадцатого века. Основой существующей сейчас теории Большого Взрыва стала Теория Относительности Альберта Эйнштейна. Все остальные теории реальности, в принципе, являются только частными случаями этой теории и поэтому, от того, как теория ... фактам и доказательствам, а твёрдо стоять на позициях своей науки. Весьма красочный пример превращения науки в религию... А теперь, давайте посмотрим, на каких таких «китах...
Страница 3 из 7
III. Фундаментальные теории физики
Классическая механика Ньютона
Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механической системы – системы материальных точек. Именно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физических теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы – основные величины в классической механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механической величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет ограниченную область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без которого построение всего здания современной Ф. было бы невозможным.
Механика сплошных сред
Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется следующими функцияциями координат (х, у, z) и времени (t): плотностью р (х, у, z, t), давлением Р (х, у, z, t) и гидродинамической скоростью v (х, у, z, t), с которой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.
Эйлера уравнение, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением, выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, которые приводят к диссипации механической энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть «чистой механикой»: становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механические процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике. Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.
Термодинамика
Всё содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала – закона сохранения энергии, и второго начала, из которого следует необратимость макроскопических процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. В замкнутых системах внутренняя энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность макроскопических процессов в природе. В термодинамике основными величинами, задающими состояние системы, – термодинамическими параметрами – являются в простейшем случае давление, объём и температура. Связь между ними даётся термическим уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и температуры – калорическим уравнением состояния). Простейшее термическое уравнение состояния – уравнение состояния идеального газа (Клапейрона уравнение).
В классической термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в основные уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, температуру, энтропию и др. величины (локальные термодинамические параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения диффузии и теплопроводности, Навье – Стокса уравнения). Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных физ. величин.
Статистическая физика (статистическая механика)
В классической статистической механике вместо задания координат ri, и импульсов pi частиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам, f (ri, pi,..., rN, pN, t), имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени t (N – число частиц в системе). Функция распределения f удовлетворяет уравнению движения (уравнению Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех r, и pi (т. е. в фазовом пространстве).
Уравнение Лиувилля однозначно определяет f в любой последующий момент времени по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить средние значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от средних значений – флуктуации. Уравнение, описывающее эволюцию функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и называлось кинетическим уравнением Больцмана.
Гиббс получил выражение для функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (каноническое Гиббса распределение). Эта функция распределения позволяет по известному выражению энергии как функции координат и импульсов частиц (функции Гамильтона) вычислить все потенциалы термодинамические, что является предметом статистической термодинамики.
Процессы, возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамического равновесия, необратимы и изучаются в статистической теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой неравновесных процессов образует кинетику физическую). В принципе, если функция распределения известна, можно определить любые макроскопические величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.
Для вычисления физических величин, характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых функций распределения: одночастичных, дающих среднее число частиц с данными значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином (англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения, построение которых возможно для газов малой плотности, называются кинетическими. К их числу относится кинетическое уравнение Больцмана. Разновидности уравнения Больцмана для ионизованного газа (плазмы) – кинетические уравнения Ландау и А. А. Власова (30–40-е гг. 20 в.).
В последние десятилетия всё большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде основную роль играют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц, и лишь статистическая теория, как правило, способна дать ответ на различные вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать устойчивость высокотемпературной плазмы во внешнем электромагнитном поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза.
Электродинамика
Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя основными векторами: напряжённостью электрического поля Е и магнитной индукцией В, являющимися функциями координат и времени. Электромагнитные свойства вещества задаются тремя величинами: диэлектрической проницаемостью?, магнитной проницаемостью (и удельной электропроводностью?, которые должны быть определены экспериментально. Для векторов Е и В и связанных с ними вспомогательных векторов электрической индукции D и напряжённости магнитного поля Н записывается система линейных дифференциальных уравнений с частными производными – Максвелла уравнения. Эти уравнения описывают эволюцию электромагнитного поля. По значениям характеристик поля в начальный момент времени внутри некоторого объёма и по граничным условиям на поверхности этого объёма можно найти Е и В в любой последующий момент времени. Эти векторы определяют силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся с определённой скоростью в электромагнитном поле (Лоренца силу).
Основатель электронной теории Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы. Эти уравнения, называемые Лоренца – Максвелла уравнениями, связывают движение отдельных заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.
Опираясь на представления о дискретности электрических зарядов и уравнения для элементарных электромагнитных процессов, можно распространить методы статистической механики на электромагнитные процессы в веществе. Электронная теория позволила вскрыть физический смысл электромагнитных характеристик вещества?, ?, ? и дала возможность рассчитывать значения этих величин в зависимости от частоты, температуры, давления и т.д.
Частная (специальная) теория относительности. Релятивистская механика
В основе частной теории относительности – физической теории о пространстве и времени при отсутствии полей тяготения – лежат два постулата: принцип относительности и независимость скорости света от движения источника. Согласно принципу относительности Эйнштейна, любые физические явления – механические, оптические, тепловые и т.д. – во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых условиях протекают одинаково. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение системы не влияет на ход процессов в ней. Все инерциальные системы отсчёта равноправны (не существует выделенной, «абсолютно покоящейся» системы отсчёта, как не существует абсолютных пространства и времени). Поэтому скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух постулатов вытекают преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой – Лоренца преобразования. Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты частной теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей со скоростью света в вакууме с (любое тело не может двигаться со скоростью, превышающей с, и с является максимальной скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тела (все физические процессы в теле, движущемся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы отсчёта, протекают в раз медленнее, чем те же процессы в данной инерциальной системе, и во столько же раз уменьшаются продольные размеры тела). Из равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты замедления времени и сокращения размеров тел являются не абсолютными, а относительными, зависящими от системы отсчёта.
Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Эти уравнения пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: зависимость массы частицы от скорости и универсальная связь между энергией и массой (см. Относительности теория).
При больших скоростях движения любая физическая теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физической величины. Эта теория вытекает из принципов инвариантности, или симметрии в Ф. (см. Симметрия в физике).
Общая теория относительности (теория тяготения)
Из четырёх типов фундаментальных взаимодействий – гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых – первыми были открыты гравитационные взаимодействия, или силы тяготения. На протяжении более двухсот лет никаких изменений в основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено не было. Почти все следствия теории находились в полном согласии с опытом.
Во 2-м десятилетии 20 в. классическая теория тяготения была революционным образом преобразована Эйнштейном. Теория тяготения Эйнштейна, в отличие от всех прочих теорий, была создана без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логического развития принципа относительности применительно к гравитационным взаимодействиям, и получила название общей теории относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный ещё Галилеем факт равенства гравитационной и инертной масс (см. Масса). Это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрического тензора, характеризующие метрику пространства-времени, одновременно являются потенциалами гравитационного поля, т. е. определяют состояние гравитационного поля. Гравитационное поле описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. В приближении слабых полей из них вытекает существование гравитационных волн, пока не обнаруженных экспериментально (см. Гравитационное излучение).
Гравитационные силы – самые слабые из фундаментальных сил в природе. Для протонов они примерно в 1036 раз слабее электромагнитных. В современной теории элементарных частиц гравитационные силы не учитываются, т.к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитационных сил становится решающей при взаимодействиях тел космических размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.
Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В середине 20-х гг. А. А. Фридман нашёл нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтвержден наблюдениями Э. Хаббла, открывшего закон красного смещения для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением времени). Др. пример предсказания теории – возможность неограниченного сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2–3 солнечных масс) с образованием т. н. «чёрных дыр». Имеются определённые указания (наблюдения за двойными звёздами – дискретными источниками рентгеновских лучей) на существование подобных объектов.
Общая теория относительности, как н квантовая механика, – великие теории 20 в. Все предшествующие теории, включая специальную теорию относительности, обычно относят к классической Ф. (иногда классической Ф. называют всю неквантовую Ф.).
Квантовая механика
Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией?. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926): она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, ???2, есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении? = ?(х, у, z, t) и величина???2?x?y?z определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t лежат внутри малого объёма?x?y?z около точки с координатами х, у, z. Эволюция состояния квантовой системы однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения.
Волновая функция даёт полную характеристику состояния. Зная?, можно вычислить вероятность определённого значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физические величины и средние значения всех этих физических величин. Статистические распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределённости Гейзенберга); их разбросы связаны неопределённостей соотношением. Соотношение неопределённостей имеет место также для энергии и времени.
В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в ограниченной области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физических величин являются собственными значениями операторов, которые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физической величине. Физическая величина принимает определённое значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом собственной функцией соответствующего оператора.
Квантовая механика Шрёдингера – Гейзенберга не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их систем со скоростями, много меньшими скорости света.
С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объяснена химическая связь, в том числе понята природа ковалентной химической связи; при этом было открыто существование специфического обменного взаимодействия – чисто квантового эффекта, не имеющего аналога в классической Ф. Обменная энергия играет главную роль в образовании ковалентной связи как в молекулах, так и в кристаллах, а также в явлениях ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Эта энергия имеет важное значение во внутриядерных взаимодействиях.
Такие ядерные процессы, как?-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения частиц сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект).
Была построена квантовая теория рассеяния (см. Рассеяние микрочастиц), приводящая к существенно другим результатам, чем классическая теория рассеяния. В частности, оказалось, что при столкновениях медленных нейтронов с ядрами поперечное сечение взаимодействия в сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Это имеет исключительно важное значение для ядерной энергетики.
На основе квантовой механики была построена зонная теория твёрдого тела.
Из квантовой теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном ещё в 1917, в 50-х гг. возник новый раздел радиофизики: были осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью квантовых систем. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо Ч. Таунс создали микроволновой квантовый генератор (мазер), в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В 60-х гг. был создан лазер – квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне длин волн (см. Квантовая электроника).
Квантовая статистика
Подобно тому, как на основе классических законов движения отдельных частиц была построена теория поведения большой их совокупности – классическая статистика, на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика. Последняя описывает поведение макроскопических объектов в том случае, когда классическая механика неприменима для описания движения слагающих их частиц. В этом случае квантовые свойства микрообъектов отчётливо проявляются в свойствах макроскопических тел.
Математический аппарат квантовой статистики существенно отличается от аппарата классической статистики, т. к., как говорилось выше, некоторые физические величины в квантовой механике могут принимать дискретные значения. Но содержание самой статистической теории равновесных состояний не претерпело глубоких изменений. В квантовой статистике, как и вообще в квантовой теории систем многих частиц, важную роль играет принцип тождественности одинаковых частиц (см. Тождественности принцип). В классической статистике принимается, что перестановка двух одинаковых (тождественных) частиц меняет состояние. В квантовой статистике состояние системы не меняется при такой перестановке. Если частицы (или квазичастицы) имеют целый спин (они называются бозонами), то в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц. Системы таких частиц описываются Бозе – Эйнштейна статистикой. Для любых частиц (квазичастиц) с полуцелым спином (фермионов) справедлив принцип Паули, и системы этих частиц описываются Ферми – Дирака статистикой.
Квантовая статистика позволила обосновать теорему Нернста (третье начало термодинамики) – стремление энтропии к нулю при абсолютной температуре Т? 0.
Квантовая статистическая теория равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая. Заложены также основы квантовой статистической теории неравновесных процессов. Уравнение, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе и называемое основным кинетическим уравнением, позволяет в принципе проследить за изменением во времени вероятности распределения по квантовым состояниям системы.
Квантовая теория поля (КТП)
Следующий этап в развитии квантовой теории – распространение квантовых принципов на системы с. бесконечным числом степеней свободы (поля физические) и описание процессов рождения и превращения частиц – привёл к КТП, наиболее полно отражающей фундаментальное свойство природы – корпускулярно-волновой дуализм.
В КТП частицы описываются с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность операторов рождения и поглощения частиц в различных квантовых состояниях. Взаимодействие квантованных полей приводит к различным процессам испускания, поглощения и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение одних частиц в определённых состояниях и появление других в новых состояниях.
Первоначально КТП была построена применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика). Взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется путём обмена фотонами, причём электрический заряд е частицы представляет константу, характеризующую связь поля заряженных частиц с электромагнитным полем (полем фотонов).
Идеи, положенные в основу квантовой электродинамики, были в 1934 использованы Э. Ферми для описания процессов бета-распада радиоактивных атомных ядер с помощью нового типа взаимодействия (который, как выяснилось впоследствии, представляет собой частный случай т. н. слабых взаимодействий). В процессах электронного бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон и одновременно происходит испускание электрона и электронного антинейтрино. Согласно КТП, такой процесс можно представить как результат контактного взаимодействия (взаимодействия в одной точке) квантованных полей, соответствующих четырём частицам со спином 1/2: протону, нейтрону, электрону и антинейтрино (т. е. четырёхфермионным взаимодействием).
Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза Х. Юкавы (1935) о существовании взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем мезонов (в то время ещё не обнаруженных экспериментально). Ядерные силы между нуклонами, согласно этой гипотезе, возникают в результате обмена нуклонов мезонами, а короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными свойствами (пи-мезоны) были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным проявлением сильных взаимодействий.
КТП является, т. о., основой для описания элементарных взаимодействий, существующих в природе: электромагнитных, сильных и слабых. Наряду с этим методы КТП нашли широкое применение и в теории твёрдого тела, плазмы, атомного ядра, поскольку многие процессы в этих средах связаны с испусканием и поглощением различного рода элементарных возбуждений – квазичастиц (фононов, спиновых волн и др.).
Из-за бесконечного числа степеней свободы у поля взаимодействие частиц – квантов поля – приводит к математическим трудностям, которые до сих пор не удалось полностью преодолеть. Однако в теории электромагнитных взаимодействий любую задачу можно решить приближённо, т.к. взаимодействие можно рассматривать как малое возмущение свободного состояния частиц (вследствие малости безразмерной константы? 1/137, характеризующей интенсивность электромагнитных взаимодействий). Теория всех эффектов в квантовой электродинамике находится в полном согласии с опытом. Тем не менее положение в этой теории нельзя считать благополучным, т.к. для некоторых физических величин (массы, электрического заряда) при вычислениях по теории возмущений получаются бесконечные выражения (расходимости). Их исключают, используя т.к. технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие величины для массы и заряда частицы заменяются их наблюдаемыми значениями. Большой вклад в разработку квантовой электродинамики внесли (в конце 40-х гг.) С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер.
Разработанные в квантовой электродинамике методы в дальнейшем пытались применить для расчёта процессов слабого и сильного (ядерного) взаимодействий, однако здесь встретился ряд проблем.
Слабые взаимодействия присущи всем элементарным частицам, кроме фотона. Они проявляются в распадах большинства элементарных частиц и в некоторых других их превращениях. Константа слабых взаимодействий, определяющая интенсивность протекания вызванных ими процессов, растет с увеличением энергии частиц.
После экспериментально установленного факта несохранения пространственной чётности в процессах слабого взаимодействия (1956) была предложена т. н. универсальная теория слабых взаимодействий, близкая к фермиевской теории?-распада. Однако, в отличие от квантовой электродинамики, эта теория не позволяла вычислять поправки в высших порядках теории возмущений, т. е. теория оказалась неперенормируемой. В конце 60-х гг. сделаны попытки построения перенормируемой теории слабых взаимодействий. Успех был достигнут на основе т. н. калибровочных теорий. Была создана объединённая модель слабых и электромагнитных взаимодействий. В этой модели наряду с фотоном – переносчиком электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами, должны существовать переносчики слабых взаимодействий – т. н. промежуточные векторные бозоны. Предполагается, что интенсивность взаимодействий промежуточных бозонов с др. частицами такая же, как и у фотонов. Т. к. радиус слабых взаимодействий очень мал (меньше 10-15 см), то, согласно законам квантовой теории, масса промежуточных бозонов должна быть очень велика: несколько десятков протонных масс. На опыте эти частицы пока не обнаружены. Должны существовать как заряженные (W- и W +), так и нейтральный (Z0) векторные бозоны. В 1973 экспериментально наблюдались процессы, которые, по-видимому, можно объяснить существованием нейтральных промежуточных бозонов. Однако справедливость новой единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий нельзя считать доказанной.
Трудности создания теории сильных взаимодействий связаны с тем, что из-за большой константы связи методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми. Вследствие этого, а также в связи с наличием огромного экспериментального материала, нуждающегося в теоретическом обобщении, в теории сильных взаимодействий развиваются методы, основанные на общих принципах квантовой теории поля – релятивистской инвариантности, локальности взаимодействия (означающей выполнение условия причинности; см. Причинности принцип) и др. К ним относятся метод дисперсионных соотношений и аксиоматический метод (см. Квантовая теория поля). Аксиоматический подход является наиболее фундаментальным, но пока не обеспечивает достаточного количества конкретных результатов, допускающих экспериментальную проверку. Наибольшие практические успехи в теории сильных взаимодействий получены благодаря применению принципов симметрии.
Делаются попытки построить единую теорию слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий (по типу калибровочных теорий).
Принципы симметрии и законы сохранения
Физические теории позволяют по начальному состоянию объекта определить его поведение в будущем. Принципы симметрии (или инвариантности) носят общий характер, им подчинены все физические теории. Симметрия законов Ф. относительно некоторого преобразования означает, что эти законы не меняются при проведении данного преобразования. Поэтому принципы симметрии можно установить на основании известных физ. законов. С др. стороны, если теория каких-либо физических явлений ещё не создана, открытые на опыте симметрии играют эвристическую роль при построении теории. Отсюда особая важность экспериментально установленных симметрий сильно взаимодействующих элементарных частиц – адронов, теория которых, как уже говорилось, не построена.
Существуют общие симметрии, справедливые для всех физических законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые симметрии, справедливые лишь для определённого круга взаимодействий или даже одного вида взаимодействия. Т. о., наблюдается иерархия принципов симметрии. Симметрии делятся на пространственно-временные, или геометрические, и внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц. С симметриями связаны законы сохранения. Для непрерывных преобразований эта связь была установлена в 1918 Э. Нетер на основе самых общих предположений о математическом аппарате теории (см. Нётер теорема, Сохранения законы).
Справедливыми для всех типов взаимодействий являются симметрии законов Ф. относительно следующих непрерывных пространственно-временных преобразований: сдвига и поворота физической системы как целого в пространстве, сдвига во времени (изменения начала отсчёта времени). Инвариантность (неизменность) всех физических законов относительно этих преобразований отражает соответственно однородность и изотропию пространства и однородность времени. С этими симметриями связаны (соответственно) законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии. К общим симметриям относятся также инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца и калибровочным преобразованиям (1-го рода) – умножению волновой функции на т. н. фазовый множитель, не меняющий квадрата её модуля (последняя симметрия связана с законами сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов), и некоторые другие.
Существуют также симметрии, отвечающие дискретным преобразованиям: изменению знака времени (см. Обращение времени), пространственной инверсии (т. н. зеркальная симметрия природы), зарядовому сопряжению. На основе приближённой SU (3)-симметрии (см. Сильные взаимодействия) М. Гелл-Ман (1962) создал систематику адронов, позволившую предсказать существование нескольких элементарных частиц, открытых позднее экспериментально.
Систематику адронов можно объяснить, если предположить, что все адроны «построены» из небольшого числа (в наиболее распространённом варианте – из трёх) фундаментальных частиц – кварков и соответствующих античастиц – антикварков. Существуют различные кварковые модели адронов, однако экспериментально обнаружить свободные кварки пока не удалось. В 1975–76 были открыты две новые сильно взаимодействующие частицы (?1 и?2) с массами, превышающими утроенную массу протона, и временами жизни 10-20 и 10-21 сек. Объяснение особенностей рождения и распада этих частиц, по-видимому, требует введения дополнительного, четвёртого, кварка, которому приписывается квантовое число «очарование». Помимо этого, по современным представлениям, каждый кварк существует в трёх разновидностях, отличающихся особой характеристикой – «цветом».
Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии очень велики, хотя причины возникновения этих симметрий до конца не ясны; возможно, они действительно обусловлены существованием и свойствами кварков.
