Ольга Стрельник - Концепции современного естествознания: конспект лекций
У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность означает равномерность всех возможных направлений, т. е. инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т. е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Свойства изотропности и однородности пространства являются следствием его симметричности, т. е. независимости от изменения физических условий. Трехмерность описывает тот факт, что положение любого объекта в пространстве может быть определено с помощью трех независимых величин.
Понятие многомерного пространства существует пока только как математическое, а не как физическое. Основания трехмерности наблюдаемого пространства ищутся в структуре некоторых фундаментальных процессов, например в строении электромагнитной волны и фундаментальных частиц. Один из российских исследователей этой проблемы, Л.М. Гиндилис, утверждает, что мы можем изучать й-мерные миры лишь мысленно, но для нас закрыты возможности для их экспериментального изучения. Так, математический анализ показывает, что при n> 4 не могут существовать замкнутые устойчивые орбиты движения тел. Это в свою очередь означает, что планеты должны либо падать на центральное тело в планетной системе, либо уходить в бесконечность, т. е. в многомерных мирах невозможно существование аналогов планетных систем и атомов, а следовательно, невозможна жизнь. Таким образом, единственное значение параметра n, которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, равно 3. Именно этот мир мы и наблюдаем (7.3).
Физическому времени приписываются свойства длительности, необратимости, однородности и одномерности. Длительность интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность времени, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т. е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость времени, его однонаправленность от прошлого к будущему, скорее всего, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.
Идею о едином пространственно-временном континууме в конце XIX в. предложил немецкий математик и физик Г. Минковский, поэтому четырехмерный пространственно-временной континуум называют миром Минковского. В этом мире положение тела может быть определено с помощью четырех величин: трех пространственных и одной временной.
3.3. Основные идеи и принципы квантовой физики
В 1900 г. немецкий физик М. Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла (2.3). Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила начало новой квантовой физике, которая описывает процессы, протекающие в микромире.
Опираясь на идеи М. Планка, А. Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (или фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов – фотонов. Гипотеза А. Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта – выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию.
Объяснение фотоэффекта опиралось, помимо квантовой гипотезы М. Планка, также на новые представления о строении атома. В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель представляла атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, постольку альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути.
В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э. Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н. Бора звучали следующим образом.
1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.
2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.
Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т. е. почему атом остается устойчивым образованием? Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.
Теория Н. Бора, несмотря на быстрое признание, все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно. В действительности состояния электрона могут меняться. Н. Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом – как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».
В 1920-1930-е гг. В. Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории – квантовой механики. В 1924 г. в работе «Свет и материя» Л. де Бройль высказал гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название кор-пускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.
В 1926 г. Э. Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы – это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э. Шре-дингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.
