Классическая физика и ее кризис в начале ХХ-го века; принцип неопределенности в квантовой теории; жизнь атома; идеи теории относительности; порядок из беспорядка - самоорганизация.

"Есть многое на свете, друг Горацио,

Что и не снилось нашим мудрецам"

У.Шекспир

Решительно все природные процессы имеют в своем основании те или иные физические закономерности. К этим процессам относится в том числе и явление жизни. Поэтому рассмотрение основных физических концепций неизбежно. Когда говорят о современной физике, обычно имеют в виду две фундаментальные концепции, возникшие в двадцатом веке – квантовую теорию и теорию относительности. В последнее двадцатилетие возникла еще одна теория, носящая глубокий характер, – теория коллективных явлений или синергетика. Ко всем трем в полной мере можно отнести все то, что говорилось во Введении применительно к теориям вообще как к моделям, порождаемым разумом. Однако прежде чем ознакомиться с их основными идеями, напомним вкратце, с чем подошла наука к рубежу ХIХ-ХХ веков и чем был вызван кризис, вследствие которого и возникла современная физика.

В отношении к природе еще в древнегреческие времена возникла атомистическая идея, выражаемая вопросом: есть ли предел делимости тела на части? Положительный ответ означал, что наступит такой момент, что дальнейшее разделение станет невозможным, и существует одна или несколько различных частиц – атомов, которые представляют основу сущего и из различных комбинаций которых состоят все тела. В противном случае материя была бы непрерывной, бесконечно делимой. Греки решали этот вопрос философски, умозрительно, и традиция такого подхода продержалась еще почти два тысячелетия. Впрочем, подходящая экспериментальная техника появилась еще позже. Наука в современном понимании возникла лишь в XVII веке, когда эксперименту было предоставлено право участвовать в обсуждении вопросов бытия, и на помощь «чистому разуму» были призваны органы чувств.

Классическая физика началась с И.Ньютона, который последовательно описал механические процессы движения и взаимодействия макроскопических тел на основе созданного им математического языка бесконечно малых. В этом было отступление от атомистических воззрений, о непосредственной проверке которых вопрос еще не стоял, но это привело к значительному продвижению в описании и понимании природы. Несмотря на то, что в настоящее время подход Ньютона кажется естественным и понятным на фоне абстрактных представлений современной физики, и с него начинают знакомство с этой наукой в школе, в то время понадобилось почти семьдесят лет, чтобы этот подход окончательно утвердился в умах ученых. Дав свои определения понятиям скорости, ускорения, силы, массы, Ньютон сформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами. Проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженных Т.Браге и И.Кеплером, он установил закон всемирного тяготения, введя в науку меру гравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной. В результате удалось научиться точно предсказывать солнечные затмения и понять природу морских приливов.

Упомянем два обстоятельства, характерные для классической механики, существенные для дальнейшего. Первым из них является обратимость движений во времени, что следовало из соответствующих уравнений. При этом, когда требуется точность при описании реальных процессов, говорить о полной обратимости уже нельзя. Да и такое знакомое явление, как заполнение газом пустого сосуда при открывании пробки, к числу обратимых не относится.

Вторым обстоятельством является отсутствие абсолютной, т.е. независимой и единой для всех тел системы отсчета. При описании механических процессов в различных системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, следовало использовать принцип относительности Галилея, состоявший в том, что на ускорения тел, явившиеся следствием их силового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влияния не оказывает, и никакими механическими опытами невозможно установить, какая именно из систем движется. Для расчета достаточно просто сложить скорость движения тела в данной системе отсчета и скорость относительного движения систем отсчета. Поэтому можно выбрать наиболее удобную систему отсчета и работать с ней. Например, в движущемся вагоне отпущенный камень упадет вдоль вертикальной прямой, но при наблюдении с неподвижной платформы его траектория будет иметь вид кривой линии – параболы. Если описать движение (и предсказать положения камня) в системе движущегося вагона (что проще), то, чтобы сказать, когда и в какой точке он будет при наблюдении с платформы, достаточно просто учесть относительную скорость (скорость вагона) в конечном ответе.

Сплошные среды, такие, как жидкости и газы, явились предметом термодинамики. Между их параметрами (давлением, объемом, температурой, химическим составом) были также установлены количественные соотношения – закон Менделеева-Клапейрона завершил усилия Бойля, Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, направленные на изучение поведения газов и жидкостей. Понятие теплоты было отождествлено с энергией, а представление о газах как о системах множеств маленьких молекул, введенное Д.Бернулли, позволило связать законы термодинамики и механики в молекулярно-кинетической теории. Этот обобщающий шаг укрепил представление о единстве и познаваемости мира. В XIX веке трудами Дж.Максвелла и Л.Больцмана в строго детерминированный мир механических движений молекул были введены идеи теории вероятности. Удивительная (для механики) необратимость ряда термодинамических явлений (молекулы, разлетевшись из половины сосуда по всему сосуду, никогда вновь не соберутся в половине, хотя из механики это никак не следует; тепло от нагретого тела, перейдя к холодному, никогда самопроизвольно не вернется обратно, и термодинамическое равновесие самопроизвольно не нарушится) нашла свое объяснение с точки зрения теории вероятности при учете гигантского числа молекул (порядка 10¹⁹ штук в кубическом сантиметре) в любом макроскопическом объеме. Это, между прочим, как раз и привело впоследствии к выводу, что упорядоченность в замкнутой (термодинамической) системе никогда не возрастает. Выравнивание температуры и разрушение существующих структур – такова судьба косной материи (в отличие от живых систем, в которых наблюдается усложнение, т.е. образование структур). Механические устройства с тепловыми двигателями явили собой практическое воплощение научных идей молекулярной физики и термодинамики.

Новый тип исследуемых явлений – электрических и магнитных – потребовал новой концепции. И она была дана Дж.Максвеллом на основе опытных данных А.Ампера и М.Фарадея. Язык теории Максвелла был все той же математикой бесконечно малых – дифференциальными уравнениями. Непрерывность возобладала и потребовала введения понятия физического поля – области пространства, каждой точке которой поставлено в соответствие одно или несколько чисел (вещество же по-прежнему предполагалось состоящим из атомов – конечных неделимых частиц). Соотношения между характеристиками полей позволяли предсказать эффекты, которые удалось пронаблюдать на опыте. В частности, существование электромагнитных волн было сначала предсказано, что следовало из уравнений, а уж потом они были обнаружены в эксперименте. Электрические машины и радиосвязь отразили научный прогресс, и это было замечательной иллюстрацией успеха теории. Но радиоволны были волнами, а, значит, требовали среды, в которой они могли бы распространяться. Эта среда – гипотетический мировой эфир, пронизывающий все пространство, – могла бы послужить абсолютной системой отсчета, тем самым укрепив единство мира. Значит, вопрос состоял в том, чтобы как-то ее обнаружить. «Как-то» – потому, что свойства ее были уж очень экзотическими. С одной стороны, огромная Земля летит сквозь этот эфир со скоростью 30 км/сек, но никакого торможения зарегистрировать не удается (маленькая пуля, вылетев из ружья со скоростью несколько сот метров в секунду, пролетит в воздухе всего несколько километров). Получается, что эфир очень разреженный. С другой стороны, скорость радиоволн в эфире – 300000 км/сек, что казалось бы должно соответствовать неимоверным плотности и жесткости этой среды (скорость звуковых волн в стали порядка нескольких километров в секунду).

Последним крупным разделом физики являлась оптика – наука о световых явлениях. Простые законы геометрической оптики с ее прямолинейными лучами требовали объяснения. Его можно было дать, считая свет потоком маленьких частиц. Но тогда было неясно, как эти частицы узнают, кому из них отражаться, а кому преломляться, проходя внутрь прозрачного тела. Кроме того, два пересекающихся потока (два луча) никак не воздействовали друг на друга. И как объяснить разложение белго света в радугу («таинственное явление цветов», как называл его Ньютон)?

Можно было также счесть свет волной, распространяющейся в некоей среде, обладающей свойствами эфира. Трудами Гюйгенса и Френеля утвердились представления, в рамках которых свет считался волной, а, значит, должен был проявлять такие волновые свойства, как интерференция (наложение волн) и дифракция (огибание препятствий). И эти свойства были обнаружены! А после того, как Фарадей открыл воздействие магнитного поля на световую волну, стало очевидным тождество электромагнитных и световых волн. Тепловое излучение нагретых тел оказалось электромагнитным (а, значит, «световым») излучением, но только с большой длиной волны – такой, что человеческий глаз не мог ее воспринять именно как свет.

Таким образом, общая картина Мира оказалась полностью замкнутой. В классической физике наступил апофеоз. В соответствии с теорией парадигм оставалось только уточнять детали.

Одной из них была нестыковка в теоретических и экспериментальных результатах при излучении так называемого абсолютно черного тела – такого тела, которое, будучи нагретым до определенной температуры, может излучать электромагнитные волны, поглощать их, но отражать не может. Как сажа. Или как Солнце. Эксперимент показывал (рис.), что для каждой температуры существует такая длина волны, на которой тело излучает больше всего энергии. При увеличении или уменьшении длины волны, количество излучаемой на ней энергии стремится к нулю. Но строгий расчет Рэлея и Джинса, основанный на свойствах электромагнитных волн и термодинамических исследованиях Больцмана, приводил к абсурдному результату: при уменьшении значения длины волны излучаемая энергия должна была стать бесконечно большой. Эта ситуация получила название «ультрафиолетовой (то есть коротковолновой) катастрофы». Был еще ряд эффектов, которые не имели удовлетворительного объяснения. Наиболее известный – фотоэффект, то есть эффект возникновения электрического тока в разомкнутой цепи при освещении одного из ее электродов светом. Упрощенно говоря, парадокс состоял в том, что интенсивный свет с большей длиной волны не приводил к эффекту, в то время как слабый свет, но с меньшей длиной волны, направленный на тот же электрод, к эффекту приводил.

Решение проблемы излучения черного тела, предложенное М.Планком в 1900 году, не укладывалось в рамки здравого смысла позитивистской науки. Планк предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Но такая дискретность означает, что волна имеет свойство частиц, корпускул! (Интересно отметить, что идея дискретности, прерывности, счетности в генетике утвердилась в том же 1900 году). Энергия же одной такой частицы определяется частотой волны, другими словами, ее длиной, и равна произведению частоты на новую мировую константу (постоянную Планка h), которая хоть и очень мала (h = 6,62*10-34 Дж*с), но все же конечна. Как это понять? Выполнив соответствующий расчет, Планк получил распределение энергий волн, излучаемых черным телом, в точности совпадающее с экспериментом. А.Эйнштейн применил странную идею Планка к объяснению явления фотоэффекта, и все стало на место: для выбивания элетронов из материала электрода, которое и приводит к возникновению тока, нужны частицы с большой энергией, то есть свет с малой длиной волны. Интенсивность света соответствует количеству налетающих частиц, но не характеризует сами частицы с точки зрения их энергии. Поэтому интенсивный свет, но с большой длиной волны (соответственно – с малой частотой), к эффекту привести не может. Получается, что световое давление, обнаруженное экспериментально П.Лебедевым, – это просто бомбардировка частицами, причем величина давления зависит от энергии частиц (то есть от длины волны) в точном соответствии с теорией Планка. Другое название электромагнитных квантов – фотоны, мы встречали его в предыдущих главах. Странен фотон… Это такой объект, такая концепция, такой продукт решения математических уравнений, зрительно представить который невозможно (увидеть-то поток фотонов можно): некоторые его свойства – такие же, как у волны, некоторые – такие же, как у частицы.

Странность его обусловлена принадлежностью к микромиру. Но в микромире имеются и другие объекты. Например, электрон. До гипотезы Планка электрон считался частицей. Но Де-Бройль предположил, что, как у волны микромира обнаружились корпускулярные свойства, так и у частицы микромира могут быть волновые свойства, и указал, как связаны между собой длина волны и количество движения частицы. И Дэвиссон и Джермер пронаблюдали дифракцию – т.е. типично волновое явление – потока электронов на кристаллической решетке никеля, причем характеризующая дифракцию длина волны в точности соответствовала скоростям электронов. Шредингер и Гейзенберг разработали специальный математический аппарат – волновую или квантовую механику, основным понятием которой стала так называемая волновая функция, с помощью которой можно было предсказать вероятность обнаружения микрочастицы в том или ином месте пространства. Все смешалось. Избежав ультрафиолетовой катастрофы, физика вступила в новый этап, где результаты перестали быть наглядными, но тем не менее остались предсказуемыми. (Привлекая авиационную аналогию, можно сказать, что при подлете к грозовому фронту от визуального полета перешли к полету по приборам, но с закрытыми шторками. И пока летим.). Практическая реализация концепции квантов происходит в любом из современных электронных приборов.

Обсудим важные мировоззренческие следствия квантовой теории. Как выполняется любое наблюдение? Условно говоря, свет падает на тот объект, за которым мы следим, отражается от него и попадает к нам в глаза. Любой макроскопический объект настолько превосходит микрообъект (в данном случае фотон), что говорить о воздействии этого падающего света на сам объект не приходится. Но если мы и следим за каким-нибудь электроном? Ведь фотон, который на него падает, перед тем как отразиться и попасть в глаз, вполне сравним по характеристикам с электроном и, налетев на него, изменит его движение весьма значительно. Что же мы узнаем об электроне из такого опыта? Видимо, только то, что электрон был в той точке, где произошла встреча с фотоном. Но что с ним станет потом, куда он полетит, сказать невозможно. Если же попытаться воздействовать на электрон как можно слабее, чтобы не изменить его поведение и получить возможность предсказать его дальнейшее движение, то есть взять фотон с малой энергией, а, значит, с большой длиной волны, то тогда место их встречи будет известно нам с малой точностью (определяемой в данном случае длиной волны этого фотона). Таким образом, точного знания и положения, и параметров движения электрона одновременно получить не удается. Чем точнее мы узнаем одно, тем менее точно другое. Это утверждение составляет принцип неопределенности Гейзенберга, кладущий ограничение на наши возможности в познании микромира.

Любопытно, что по сравнению с термодинамикой роль теории вероятности в квантовой теории стала более фундаментальной – фактически у чисто математических понятий появился физический смысл. Если раньше теория вероятности использовалась в основном для статистического осреднения параметров систем, содержащих большое количество частиц, то теперь даже одна частица перемещалась в пространстве так или иначе лишь с определенной вероятностью, понятие траектории, естественное для классической механики, перестало иметь смысл.

Следующей важной концепцией, приобретшей конкретные черты в связи с появлением квантовой теории, была концепция атома. В начале века эту неделимую частицу представляли себе в виде капли положительно заряженной жидкости, в которой плавали отрицательно заряженные электроны. В целом атом был электрически нейтрален и весьма устойчив. Такая модель в общем неплохо описывала наблюдаемые свойства, за исключением спектров излучения или поглощения. Если газ атомов подвергнуть воздействию, например, пропустить электрический разряд через этот газ, то атомы испускают электромагнитное излучение. Такое излучение (световое) можно видеть в газоразрядных трубках. Оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого имеется только один электрон, то с помощью капельной модели можно предсказать появление линии излучения, но только одной. Электрон мог бы колебаться в окружающей его положительной жидкости, составляющей атом, и в соответствии с теорией Максвелла испускать электромагнитную волну. Но лишь одной частоты. Бальмер же в эксперименте обнаружил целую серию линий различных частот. Мало того, и в инфракрасной, и в ультрафиолетовой областях также обнаружились серии линий излучения. Известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил капельной модели атома. Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой – через нее-то и летят пролетающие частицы. Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы. Движущийся ускоренно заряд, а вращающийся по орбите электрон именно таким и является, испускает энергию и должен очень быстро упасть на ядро, что соответствует «исчезновению» атома, похожего на солнечную систему. Но атом устойчив!

Нильс Бор сформулировал новый постулат. Он провозгласил, что законы микромира и здесь отличаются от законов макромира, и электрон в атоме может двигаться по орбите и не излучать. Но не по всякой орбите, а только по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн Де-Бройля, соответствующих движущемуся электрону. Ясно, что разным скоростям движения будут соответствовать разные радиусы орбит. Если же электрон каким-то образом (скажем, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (точнее, энергия атома в целом) меняется, а разность этих энергий излучается (или поглощается) в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку. Расчет привел к блестящему согласию с экспериментальными результатами Бальмера. Таким образом, был установлен еще один закон микромира, противоречащий представлениям классической физики, но позволяющий точно предсказать поведение микросистем.

Открытое в конце прошлого века Беккерелем, а затем исследованное Пьером и Мари Кюри, Резерфордом, Чедвиком, Ферми явление радиоактивности, указало на сложный состав «атома», и микромир обогатился новыми обитателями – протонами, нейтронами, нейтрино и другими элементарными частицами. Все они подчинялись неочевидным законам квантовой механики.

Наиболее важной отличительной чертой новой физики явилась именно ее концептуальная основа, основа на концепции, принципиально неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами, требующий построения аксиоматической теории. Именно об этом шла речь во Введении, когда обсуждался «эксперимент на расстоянии». Одновременно возник важный вопрос, который ранее не обсуждался во всей полноте: что такое измерение? Что именно и как мы измеряем, когда измеряем что-то?

Одновременно с исследованием микромира велся поиск мирового эфира, в котором могли бы распространяться электромагнитные волны. В конце прошлого века техника эксперимента достигла такого уровня, что стало возможным обнаружить разницу в 30 км/сек на фоне 300000 км/сек. Это означало, что если Земля летит сквозь неподвижный эфир, в котором распространяются световые сигналы, то, излучая их вдоль направления движения Земли и поперек этого направления (с учетом сложения скоростей света и Земли по Галилею), мы можем обнаружить разницу во временах прохождения одинаковых путей. (Точно так же время движения катера туда и обратно вдоль течения реки больше времени движения того же катера туда и обратно на такое же расстояние поперек течения реки. В оптическом опыте Земля – берег, эфир – текущая река, свет – катер). Наличие разницы свидетельствовало бы о том, что эфир есть. В 1887 году Майкельсон и Морли поставили соответствующий опыт, но разницы времен обнаружено не было. Впоследствие подобные попытки с использованием все более совершенной аппаратуры повторялись, но с тем же результатом. Эфира нет? По крайней мере, он, по-видимому, не является носителем электромагнитных возмущений. В противном же случае остается лишь предположить, и это сделали Лоренц и Фицджеральд, что все тела, движущиеся сквозь эфир, сокращают свои размеры вдоль направления движения. В этом случае эфир становится принципиально ненаблюдаемым, и никакой абсолютной системы отсчета не оказывается .

Сложившаяся ситуация позволяет (требует?) ужесточить принцип относительности Галилея и заявить, что никаким физическим экспериментом невозможно установить, которая из инерциальных систем отсчета движется, хотя пока что мы убедились в этом только для оптических экспериментов. Но, как и в случае с моделью атома Резерфорда, это приводит к логическому противоречию: из опыта Майкельсона-Морли следует, что выделенной системы отсчета нет, и, оставаясь в рамках классической физики и пользуясь обычной формулой Галилея для сложения скоростей, мы должны были бы честно сложить скорости света и Земли. Но тогда опыт Майкельсона-Морли должен был бы дать другой результат. Значит, как и в случае микромира, необходим новый постулат.

Его сформулировал А.Эйнштейн: скорость света, т.е. скорость перемещения возмущения электромагнитного поля, измеренная из любой инерциальной системы отсчета, имеет одно и то же значение независимо от относительного движения систем. Принять (и воспринять) его сложнее, чем постулат Бора, поскольку восприятие движения волн (хоть и не световых) входит в повседневный опыт человека, в отличие от восприятия поведения микрочастиц. Отчасти справиться с недоумением по поводу этого странного утверждения о независимости скорости света от системы ее отсчета можно, подумав о следующей аналогии: скорость звука не меняется в зависимости от того, измерим ли мы ее с разбега или стоя неподвижно. Частота звука – да, меняется, и все слышали, как меняется тон гудка локомотива, когда он проезжает мимо. Но скорость звука, испускаемого гудящим локомотивом, измерим ли мы ее, находясь в едущем вагоне или стоя на платформе, остается той же. Этот пример не эквивалентен ситуации со светом (уже потому, что звук распространяется в среде, которой для света не нашлось), но помогает воспринять смысл Эйнштейновского постулата.

Теперь для того, чтобы последовательно описывать наблюдаемые явления, приходится посягнуть на такие фундаментальные характеристики, как пространственные размеры и течение времени: следствием двух новых постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения систем отсчета) является то, что размеры обьектов и времена процессов зависят от того, по отношению к какой системе отсчета – движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта или явления – мы их измеряем. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности.

Обсудим понятие одновременности и соотношение «раньше-позже» в рамках постулата о независимости скорости света от движения системы ее отсчета. Рассмотрим поезд, двигающийся с постоянной скоростью мимо платформы. Посредине поезда стоит проводник, в голове и хвосте поезда на одинаковом расстоянии от середины находятся два фонаря. На платформе стоит проверяющий. Пусть в тот момент, когда едущий проводник находится точно против неподвижного проверяющего, оба они видят, что фонари одновременно вспыхнули. Скорость света хоть и велика, но конечна. Вопрос: что скажут проводник и проверяющий, заранее предупрежденные о независимости скорости света, о последовательности вспышек фонарей? Проводник, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что свету предстояло пройти одинаковые расстояния от неподвижных в его системе отсчета фонарей до него, скажет, что фонари поезда вспыхнули одновременно. Проверяющий, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что фонари движутся относительно него, а скорость света конечна, скажет, что, раз свет дошел до него одновременно, а испущен-то он был несколько раньше, когда задний фонарь был от проверяющего дальше, свету от заднего фонаря предстояло пройти большее расстояние. И, чтобы сигналы добрались до проверяющего одновременно, задний фонарь поезда вспыхнул раньше. Пусть теперь над поездом вдоль рельсов, опережая поезд, летит самолет, и летчик оказывается над проверяющим в тот момент, когда мимо того проезжает проводник. Летчик тоже видит одновременные вспышки, но, рассуждая таким же образом, как проверяющий, он скажет, что передний фонарь поезда вспыхнул раньше. Трое наблюдателей, находясь в одной точке в один и тот же момент времени, увидели одно и то же, но дали различное заключение о происшедшем. В наблюдение, а, значит, и в измерение неизбежно входит трактовка, интерпретация, выполняемая с учетом каких-то дополнительных обстоятельств (в данном случае конечности скорости света и постулата о независимости его скорости). Опять-таки стоит вспомнить Введение, а также аргументацию Фейерабенда о языке наблюдений, упомянутую в главе 1.

Есть, однако, еще один важный момент. Все эти новые труднопредставимые обстоятельства необходимо согласовать с принципом причинности. Следствие никак не может быть раньше причины. Поэтому, если вспышки самих фонарей связаны причинно-следственной связью (как выстрел и попадание пули в мишень), то приведенные рассуждения о «раньше-позже» необходимо соответствующим образом уточнить, чтобы не прийти к абсурду (чтобы пуля не попала в мишень раньше, чем вылетела из пистолета). Оказывается, что принцип причинности не будет нарушен, если скорость целенаправленной передачи информации от причины к следствию (скорость «полета пули») не превосходит скорости света. Тогда в любых системах отсчета причина будет предшествовать следствию. Таким образом, оказывается, что в окружающем нас постижимом мире существует предельная скорость – скорость света, и никакой материальный носитель информации не может перемещеться быстрее. Это, между прочим, не означает, что сверхсветовую скорость нельзя реализовать. Например, направив прожектор на Лунный диск так, чтобы световое пятно полностью заполняло этот диск, будем быстро перекрывать прожектор шторкой. Нетрудно рассчитать, какой должна быть скорость движения шторки, чтобы скорость движения ее тени по поверхности Луны достигла скорости света. Требуемая скорость шторки вполне достижима в современной технике. Дело, однако, в том, что невозможно указать способ хоть какого-либо использования сверхсветового движения тени в причинноследственном процессе.

Проводя дотошные рассуждения подобного рода, можно убедиться в том, что понятие одновременности будет играть важную роль и при измерении длин отрезков в различных системах отсчета. Как измерить длину отрезка в движущейся системе? Ведь линейку надо приложить к обоим его концам одновременно! В нашем примере получится, что длина вагона, которую измерит едущий в нем проводник, будет отличаться от длины этого же вагона, которую измерит с платформы проверяющий, и от длины этого вагона, которую измерит летчик самолета, причем два последних результата будут зависеть от скоростей систем отсчета относительно вагона. То есть никакой абсолютной длины предмет не имеет. Именно потому, что необходимо договориться о том, как мы будем экспериментально проверять высказанные по этому поводу мнения. Между прочим, получится, что при измерении длины предмета (вагона), движущегося мимо нас, мы получим меньшую величину, чем при измерении того же предмета, когда мы неподвижны относительно него (находимся в вагоне). Это напоминает Лоренцево сокращение, но не является им, поскольку у Лоренца речь шла о физическом изменении длин движущихся предметов, здесь же мы говорим лишь о нашей способности договориться при экспериментальной проверке.

Нечто подобное происходит и при измерении промежутков времени в той или иной системе. Таким образом, такие фундаментальные в классической физике понятия, как пространство и время, теперь явно выступают как предметы договоренности, как только мы собираемся экспериментально определять их количественные меры.

Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой гравитационное «притяжение» тел является лишь наблюдаемым эффектом, в основе которого лежит геометрия нашего пространства, точнее единого пространства-времени. Находящиеся в пространстве-времени массы искривляют его подобно тому, как прогибается двумерная упругая мембрана, если положить на нее тяжелый шарик: вталкивая в получившийся «раструб воронки» еще один шарик, мы увидим, как он скатится к первому или будет кружить вокруг него («под действием сил гравитационного притяжения», – полагал Ньютон). Нечто подобное, согласно общей теории относительности, происходит и в случае трехмерного пространства. Предсказания этой странной теории подтвердились при измерении скорости поворота большой полуоси эллиптической орбиты Меркурия при его движении вокруг Солнца. Кроме того, из этой теории следует, что лучи света должны были бы отклоняться при прохождении мимо массивного тела вроде звезды. При соответствующих измерениях во время Солнечного затмения это было зарегистрировано. В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр и возможность расширения Вселенной, пресказанное А.Фридманом, обсуждавшиеся в главе 2, также следуют из этой теории.

В заключение этой главы скажем несколько слов о концепции, возникшей в последней четверти 20-го века и ставшей своеобразным связующим звеном между мирами живой и неживой природы. Оказалось, что если от рассмотрения замкнутых систем многих тел перейти к рассмотрению открытых, то есть таких, которые тем или иным способом обмениваются энергией с окружающей средой, то возможно усиление флуктуаций, в результате которого в хаотической системе возникает упорядоченность, структура. Говорят, что в открытой системе многих тел возможны кооперативные эффекты. Пожалуй, наиболее наглядным примером является образование перистых облаков. Облака – это мельчайшие частички жидкой воды или твердого льда, находящиеся в сложной системе воздушных потоков, и обычное кучевое облако, несмотря на опознаваемую форму (паттерн), структуры все же не имеет. Однако в определенных условиях она возникает, и появляются перистые облака с правильным чередованием равноотстоящих перьев. Это так называемый кооперативный эффект. В данном примере имеет место возникновение пространственной упорядоченности. Но можно привести и пример временной упорядоченности. В химической реакции Белоусова-Жаботинского происходит периодическое изменение свойств среды, в которой протекает реакция. Условно говоря, раствор то мутнеет, то становится прозрачным.

В каком-то смысле нечто подобное происходит и в такой непохожей системе, как лазер, где в результате кооперативного эффекта происходит согласованное излучение электромагнитных волн. С этой точки зрения процессы лазерной генерации были исследованы Г.Хакеном. Кооперативные эффекты также играют роль в случае фазовых переходов, сопровождающихся сменой симметрии. Такое совместное взаимодействие частиц с образованием структур получило название синергетики.

Большой вклад в исследование коллективных явлений в открытых системах был сделан И.Пригожиным, разработавшим так называемую нелинейную динамику и доказавшим, что неравновесие в термодинамической системе может быть причиной возникновения порядка. Таким образом, налицо образование структур в неживой материи, то есть свойство, которое считалось присущим лишь живому веществу. Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, поведение которой не может быть описано в рамках традиционной статистической физики. В состоянии такого перехода элементы системы ведут себя коррелировано, хотя до этого они пребывали в хаотическом движении.

Наконец, Тома разработал теорию катастроф – скачкообразных изменений, возникающих в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий, – накопление мелких незначительных воздействий в конце концов вызывает лавинообразный срыв. Примером такого сорта явлений является накопление песка, высыпающегося тонкой струйкой на поверхность: сначала он просто рассыпается по ней, затем вырастает конус и в какой-то момент, когда количество песка в верхней части конуса превысит критическое значение, происходит обвал, а затем вновь наступает равновесие и накопление новой массы сверху. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений.

В заключение этой главы укажем на важное и принципиальное различие между физикой и биологией – основными естественнонаучными дисциплинами. В основе этого различия лежат понятия «простоты» и «сложности». Если в физике исследователи стремятся на основе некоторых концепций построить модели наблюдаемых объектов и явлений из некоторых простых, «неделимых» элементов, то в биологии это не представляется возможным, поскольку живые системы состоят из такого количества взаимодействующих «элементов», что их количество дает новое качество, не сводимое к сумме взаимодействий. Поэтому в биологии преобладает индуктивный путь развития науки, а ее достижения носят более конкретный, прикладной, в каком-то смысле описательный характер. Технический прогресс позволил добиться впечатляющих продвижений в биологии именно на этом пути, и это, конечно, является важным для человечества. Однако особенность физики состоит в том, что на пути построения моделей, возникают такие варианты, которые никак не связаны с повседневным опытом человека. Они обусловлены возможностью выдвижения концепций, основы которых коренятся в структуре языка, изпользуемого для описания явлений. Парадоксальным образом оказывается, что предсказания, выполненные на основе таких теорий, иногда находят экспериментальные подтверждения, и они оказывают такое воздействие на взаимодействие человека с внешним миром, которое никогда не могло бы быть достигнуто в результате простого описания. Фактически, они преобразуют мир.

Следующая страница  |  Оглавление