Принципы физического знания: принципы изучения макромира, принципы изучения микромира, принципы изучения мегамира, современные проблемы физики.

Микромир включает в себя объекты доатомного и атомного уровня организации. Первичными структурами микромира современная наука считает субъядерный уровень, на котором существуют мельчайшие частицы — кварки. Эти структуры не обнаруживаются в свободном состоянии, и все знание о них — знание косвенное, выводное. Изучение микромира включает в себя исследование элементов этих систем — субъядерных частиц, элементарных частиц (электронов, протонов, позитронов и др.) и атомов, а также процессов их взаимодействия и превращения.

Силы, действующие в микромире, определяются слабым, сильным и электромагнитным взаимодействием частиц. Количественно микромир оценивается на уровне размеров атома водорода — величинами – 10 порядка 10 м. Слабое взаимодействие характерно для процессов взаимопревращения частиц. Радиус действия этих сил очень мал.

Рождение науки о явлениях микромира относят обычно к 1900 году, когда немецкий физик М. Планк сформулировал положение, гласящее, что энергия может распространяться не непрерывным потоком, а только лишь определенными порциями, которые Планк назвал квантами. Идея о квантовом характере излучения помогла преодолеть некоторые парадоксы ядерной физики, считавшиеся неразрешимыми. Например, на основании гипотезы о квантах Н. Бор создал свою модель атома, объяснив некоторые до того необъяснимые явления. Бору пришлось сделать два допущения, которые принципиально отличались от классических представлений о мире, и в результате которых появились постулаты, отражающие характерные особенности микромира от других уровней организации систем. Первое допущение гласило, что на определенных орбитах электрон может двигаться вокруг ядра без потери энергии, т.е. не излучая. Такие орбиты были названы стационарными. С точки зрения классической физики подобное невозможно, однако Бор имел дело с микромиром, в котором часто невозможное становиться возможным. Второе предположение гласило, что при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон поглощает или излучает квант света.

Постулаты Бора не только дали возможность описать поведение электронов в атоме, но и зафиксировали некоторые характерные особенности поведения систем в микромире. Впоследствии эти постулаты привели к появлению двух принципов, которые сейчас считаются основополагающими для понимания процессов микромира. Первый из них получил название принципа неопределенности. Его автором является немецкий физик В. Гейзенберг.

Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что невозможно установить точное положение и скорость электрона на атомарной орбите. С повышением точности измерения одной характеристики точность измерения других будет снижаться.

Принцип неопределенности подчеркивал волновую природу электрона, однако, как известно, электрон обладает и свойствами элементарной частицы. Корпускулярно-волновой дуализм был выражен в принципе дополнительности, автором которого является Бор.

Принцип дополнительности Бора утверждает, что свойства частицы и волны в электроне являются дополняющими друг друга, поэтому невозможно описание электрона одновременно с точки зрения волновой и корпускулярной природы. Бор остроумно заметил, что волна и частица — это проекция физической реальности на экспериментальную ситуацию. Разумеется, невозможно сказать, что в одни моменты времени и в определенных условиях электрон ведет себя как волна, а в другое время и в других условиях — как частица. И волновые, и корпускулярные свойства присутствуют у него постоянно, но при физических исследованиях в силу несоответствия макроприборов измерения и микросистемы электрона (и любой другой элементарной частицы) мы можем фиксировать данные либо волновых, либо корпускулярных характеристик.

На уровне микромира единственной наукой, осуществляющей исследования, является физика. Однако такие формы организации вещества, как соединения атомов, изучаются и другими естественнонаучными дисциплинами. Молекулярное строение вещества и его превращения и взаимодействия на молекулярном уровне изучаются химической наукой.

Сейчас существуют четыре основных проблемы, решением которых занимается химия. Это изучение состава вещества, изучение его структуры, изучение химических процессов и изучение эволюции химических веществ. Несмотря на такую «ограниченность», химические науки представляют собой систему знаний о самых разнообразных системах окружающего мира. Открытие спектра различных веществ позволило дать заключение о химическом составе небесных тел; подобные данные невозможно получить никаким другим путем. Рассмотрение природы биологических объектов позволило установить особый характер молекул, их составляющих, этими проблемами занимается биохимия. Различные технологические процессы, в которых происходит синтез веществ, используемых человеком, невозможны без химических знаний. Учение о свойствах и структуре вещества, а также о взаимопревращении веществ занимает достойное место в ряду естественных наук и служит «мостиком», соединяющим два уровня организации систем — микро— и макромир.

Уровень организации систем, относимых к макромиру, исследован, пожалуй, лучше всего. Это естественно — ведь макромир, к которому относят мир объектов, видимых невооруженным глазом — это наша привычная среда обитания. С точки зрения классического естествознания, он полностью описывается законами классической механики, термодинамики и некоторых других, не менее «классических» дисциплин. Однако имеются два существенных отличия, на которые нельзя закрывать глаза при обзоре разных уровней организации. В макромире присутствуют живые системы, которые являются совершенно уникальными объектами, и сам вид макромира во многом определяется деятельностью человека и общества.

Под мегасистемами понимаются системы, состоящие из космических объектов. Это звезды и планетные системы, галактики (скопления звезд), метагалактики (скопления галактик) и вселенная в целом. Научные взгляды на мегамир эволюционировали вместе с развитием естественных наук. Первой научной картиной Вселенной была механистическая, основанная на механике Ньютона. Существовало пять важнейших постулатов классической механики относительно космологических представлений:

1. Вселенная существует безотносительно к условиям познания. Этот постулат означал, что независимо от наличия или отсутствия во Вселенной разумной жизни, способной наблюдать за ходом ее развития, мировые физические законы действуют одинаково.

2. Пространство и время Вселенной абсолютны и не зависят от свойств и качеств материальных объектов, расположенных в ней. Этот постулат подробно разбирался в разделе, посвященном классическому типу рациональности.

3. Пространство и время метрически бесконечны и безграничны в любом направлении. Это высказывание постулирует структуру Вселенной с точки зрения метрических характеристик.

4. Пространство Вселенной однородно и изотропно (обладает одинаковыми свойствами в любой точке).

5. Вселенная стационарна. Это положение утверждает неизменность мира: могут изменяться отдельные вещи, но мир в целом сохраняет свои характеристики.

Данные постулаты были попытками объяснить фундаментальные свойства нашего мира с точки зрения классической механики. Однако принятие некоторых из них привело к появлению парадоксов, объяснить которые Ньютоновская механика не в силах. Первый, наиболее очевидный такой парадокс носит название фотометрического парадокса. Сущность его заключена в следующем:

Если во Вселенной существует изотропность (одинаковость свойств по всем характеристикам) материи, то она (материя) должна быть равномерно распределена по всему пространству нашего мира. Из такого равномерного распределения логически вытекает, что количество материи во Вселенной бесконечно, т.к. бесконечно пространство. Следовательно, все области пространства, видимые невооруженным глазом, должны давать равномерное свечение, и вместо звездного неба мы должны были бы наблюдать равномерно фосфорецирующий небосвод. Фотометрический парадокс поставил под сомнение третий постулат Ньютона.

Существует еще один неразрешимый в рамках классической механики парадокс, известный как гравитационный:

Если в бесконечном пространстве существует бесконечное количество материальных объектов, обладающих массой, то эти объекты должны давать в каждой точке пространства бесконечный гравитационный потенциал. Если бы это было так, то любой материальный объект Вселенной, подвергаясь воздействию бесконечно большой силы, должен был бы иметь бесконечно большое ускорение, однако этого не происходит. На самом деле в любой точке Вселенной этот потенциал конечен.

Для преодоления этих противоречий пришлось отказаться от некоторых постулатов. Первым, разумеется, был отброшен третий постулат. В 1917 г. Эйнштейн предположил, что для существования в том виде, в котором она есть, Вселенная должна быть безграничной, но не бесконечной. Это, на первый взгляд, само по себе противоречивое высказывание, имеет глубокий физический смысл. Оно предполагает, что мир бесконечен во времени, но конечен в пространстве. Вселенная предстает в виде некоего цилиндра, замкнутого пространственно. Однако пространство и время в эйнштейновском представлении выступают взаимосвязанными, т.е. наш мир обладает свойствами пространственно-временного континуума, в котором время, наравне с длиной, шириной и высотой, является неотъемлемой характеристикой, связанной с тремя вышеназванными. Построение геометрической модели такого мира стало возможным после появления неевклидовой геометрии Римана-Лобачевского.

После принятия такой модели пришлось отказаться и от второго и четвертого постулатов. Пространство и время стали восприниматься как относительные и взаимозависимые величины. В таком случае говорить о равномерности распределения вещества и энергии во Вселенной было уже невозможно. Таким образом снимались гравитационный и фотометрический парадоксы.

Представление об изотропности пространства нашего мира сейчас также поставлено под сомнение. Если бы Вселенная действительно была изотропной, то она должна была бы быть линейной системой, в то время как в современной науке принята нелинейная модель. Пространственная структура представляется не однородной, а ячеистой. Воздействие одной и той же силы на соседние участки пространства приводит к различным результатам. Это явление получило название эффект баттерфляй (от англ. batterfly — бабочка). Взмах крыльев бабочки в одной точке не вызывает никакого действия, если эта точка пространства приходится на середину ячейки, однако такой же взмах, произведенный в узле пространства, может вызвать проявление значительных сил, вплоть до появления урагана на другом конце планеты. Эффект бабочки свидетельствует о нелинейном характере нашего мира.

В 1922 г. русский ученый А. Фридман доказал, что вселенная не может быть стационарной. Присутствие гравитационных сил, действующих между телами, обладающими массой, должно приводить к пульсации пространства. Следовательно, и пятый постулат Ньютона был отброшен. В настоящее время Вселенная расширяется, что было доказано в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом, открывшим эффект красного смещения спектра света, исходящего от далеких галактик. Это было интерпретировано как результат движения этих галактик от центра Вселенной и получило название «разбегания галактик».

Доказательство нестационарности вселенной послужило поводом для исследования ее эволюции. Стало очевидным, что Вселенная должна иметь начало. В настоящее время существуют несколько точек зрения на происхождение нашего мира

Для окончательных выводов о происхождении и эволюции Вселенной наука имеет еще мало фактов, ведь объекты макромира принципиально отличаются от привычных нашему глазу. Для космических расстояний единицей измерения является световой год, т.е. расстояние, проходимое световым лучом за год. Радиус Вселенной, исходя из ее возраста, составляет 13 млрд. световых лет, из которых человеку в настоящее время открыто не более одной трети. Это расстояние называют горизонтом видимости. Что находится за пределами этого горизонта, можно только гадать.

С другой стороны, свойства тех объектов, до которых человек способен «дотянуться» современными средствами познания, не отличаются от свойств нашей галактики, поэтому экстраполяция (расширение, перенесение) физических законов видимой части Вселенной на все пространство нашего мира представляется достаточно правомерной.

В целом, говоря о современном состоянии космологической теории, можно, не смотря на ее значительные успехи, привести слова выдающегося советского ученого И.С. Шкловского: «Все же многое, может быть, самое важное, остается загадочным и непонятным».