Устройство нашего мира во взаимодействии макро- и мегамира

Устройство нашего мира во взаимодействии макро- и мегамира

17

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными Бухбиндер И. Л. Фундаментальные взаимодействия. (Томский государственный педагогический университет)

Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 5, 1997..

Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями«, «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения«. Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и списать. Эта заветная цель современной физики пока ещё далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий.

ТЕОРИЯ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ - так физики называют теорию, непротиворечиво объединяющую все известные виды взаимодействий. Теория Великого объединения, GUT -- в физике элементарных частиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях (выше 1014 ГэВ) эти взаимодействия объединяются. Эта теория--дальнейшее развитие идей Янга и Миллса, следующий шаг в построении единой теории поля.

Напрямую проверить справедливость этой теории нельзя, но можно проверить прогнозы, которые она дает для процессов, протекающих на более низких энергиях (т.е. в областях экспериментально достижимых энергий). На сегодняшний день все предсказания «теорий Великого объединения» для относительно низких энергий подтверждены экспериментально.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние. Электрослабое взаимодействие начинает объединяться с сильным взаимодействием при температуре порядка 10 в 27-ой степени К. В лабораторных условиях такие энергии недостижимы. Даже Большой Андронный Коллайдер сможет разогнать частицы до энергий, которые составляют всего 10-8% от энергии, которая необходима для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействия.

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие -- одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвертого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного Физическая энциклопедия. - М.,2000.. Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

n p + e- + e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, e - электронное антинейтрино.

Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион . По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.

Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет

GFmp2 ~ 10-5.

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра. Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах. Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

Картина мира - это целостное миропонимание, синтезирующее знания на основе систематизирующего начала (научного принципа, идеи, религиозного догмата и т. д.), который определяет мировоззренческую установку человека, его ценностные поведенческие ориентиры.

Возникновение электромагнитной картины мира характеризует качественно новый этап эволюции науки.

Электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение всего XX в. Она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это была картина классической физики.

Основные ее черты следующие. Согласно этой картине материя существует в двух видах - веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля - электромагнитное и гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие - оптические, химические, тепловые. Все в большей степени сводится к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение.

В качестве элементарных "кирпичиков", из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы - электрон, протон и фотон. Фотоны - кванты электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм "примиряет" волновую природу поля с корпускулярной, т.е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные "кирпичики" вещества - электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку.

Ядро состоит из протонов. Силы, действующие в веществе, сводятся к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра; они же обеспечивают прочность атомного ядра (что оказалось в дальнейшем неверным). Электрон и протон - стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны. Картина, на первый взгляд, выглядела безупречно. Но в эти рамки не вписывались такие, как считалось тогда, "мелочи", например, радиоактивность и др. Скоро выяснилось, что эти "мелочи" являются принципиальными. Именно они и привели к "краху" электромагнитной картины мира Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания.- М.: Изд. ЮНИТИ, 2005..

Первое начало термодинамики -- один из двух основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем, в к-рых существ, значение имеют тепловые процессы (поглощение или выделение тепла) Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. - М.: Изд. ЮНИТИ, 2004..

Он формулируется следующим образом: При переходе системы из состояния A в состояние B сумма работы и теплоты, полученных системой от окружающей среды, определяется только состояниями A и B; эта сумма не зависит от того, каким способом осуществляется переход из A в B. Это означает, что существует такая величина E, характеризующая внутреннее состояние системы, что разность ее значений в состояниях A и B определяется соотношением EBEA=QL, (1) где (L) работа, совершенная средой над системой, а Q количество тепла, полученное системой от окружающей среды (количество энергии, передаваемое системе термическим образом, т.е. в форме, отличной от работы). Величина E называется внутренней энергией системы.

Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система (напр., пар в тепловой машине) может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или какого-либо внешнего источника энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из некоторого источника.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю.Р. Майера, английского физика Дж.П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Первое начало термодинамики вводит представление о внутренней энергии системы как функции состояния. При сообщении системе некоторого кол-ва теплоты Q происходит изменение внутренней энергии системы DU и система совершает работу А:

DU = Q + А.

Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики.

- Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

- Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход

Первое начало термодинамики позволяет рассчитать максимальную работу, получаемую при изотермическом расширении идеального газа, изотермическом испарении жидкости при постоянном давлении, устанавливать законы адиабатического расширения газов и др. Первое начало термодинамики является основой термохимии, рассматривающей системы, в которых теплота поглощается или выделяется в результате хим. реакций, фазовых превращений или растворения (разбавления растворов).

Академиком А.Н. Колмогоровым предложена такая структура истории математики:

1. Зарождение математики. Счёт предметов на самых ранних ступенях развития культуры привёл к созданию простейших понятий арифметики натуральных чисел. Только на основе разработанной системы устного счисления возникают письменные системы счисления и постепенно вырабатываются приёмы выполнения над натуральными числами четырёх арифметических действий (из которых только деление ещё долго представляло большие трудности). Потребности измерения (количества зерна, длины дороги и т. п.) приводят к появлению названий и обозначений простейших дробных чисел и к разработке приёмов выполнения арифметических действий над дробями. Таким образом, накапливается материал, складывающийся постепенно в древнейшую математическую науку -- арифметику. Измерение площадей и объёмов, потребности строительной техники, а несколько позднее -- астрономии, вызывают развитие начатков геометрии. Эти процессы шли у многих народов в значительной мере независимо и параллельно. Особенное значение для дальнейшего развития науки имело накопление арифметических и геометрических знаний в Египте и Вавилонии. В Вавилонии на основе развитой техники арифметических вычислений появились также начатки алгебры, а в связи с запросами астрономии -- начатки тригонометрии.

2. Период элементарной математики, начинающийся в VI--V веках до н. э. и завершающийся в конце XVI века. Только после накопления большого конкретного материала в виде разрозненных приёмов арифметических вычислений, способов определения площадей и объёмов и тому подобного возникает математика как самостоятельная наука с ясным пониманием своеобразия её метода и необходимости систематического развития её основных понятий и предложений в достаточно общей форме. В применении к арифметике и алгебре возможно, что указанный процесс начался уже в Вавилонии. Однако вполне определилось это новое течение, заключавшееся в систематическом и логически последовательном построении основ математической науки, в Древней Греции. Созданная древними греками система изложения элементарной геометрии на два тысячелетия вперёд сделалась образцом дедуктивного построения математической теории. Из арифметики постепенно вырастает чисел теория. Создаётся систематическое учение о величинах и измерении. Процесс формирования (в связи с задачей измерения величин) понятия действительного числа (см. Число) оказывается весьма длительным. Дело в том, что понятия иррационального и отрицательного числа относятся к тем более сложным математическим абстракциям, которые, в отличие от понятий натурального числа, дроби или геометрической фигуры, не имеют достаточно прочной опоры в донаучном общечеловеческом опыте.

3. Период создания математики переменных величин, охватывающий XVII--XVIII века, «который можно условно назвать также периодом „высшей математики“. С 17 века начинается существенно новый период развития математики. Поворотным пунктом в математике была Декартова переменная величина. Благодаря этому в математику вошли движение и тем самым диалектика и благодаря этому же стало немедленно необходимым дифференциальное и интегральное исчисление

Изучение переменных величин и функциональных зависимостей приводит далее к основным понятиям математического анализа, вводящим в математику в явном виде идею бесконечного, к понятиям предела, дипроизводной, дифференциала и интеграла.

4. Современная математика. Все созданные в 17 и 18 веках разделы математического анализа продолжали с большой интенсивностью развиваться в 19 и 20 веках. Чрезвычайно расширился за это время и круг их применений к задачам, выдвигаемым естествознанием и техникой. Однако, помимо этого количественного роста, с последних лет 18 века и в начале 19 века в развитии математики наблюдается и ряд существенно новых черт.

Макромир и микромир - две специфические области объективной реальности, различающиеся уровнем структурной организации материи. Сфера макроявления - это обычный мир, в котором живет и действует человек (планеты, земные тела, кристаллы, большие молекулы и др.) Кунафин М.С. Концепции современного естествознания. 2-е изд., расшир. и доп. - Уфа, 2003..

Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Каждый из этих миров характеризуется своеобразием строения материи, пространственно-временных и причинных отношений, закономерностей движения. Так, в макромире материальные объекты имеют резко выраженную прерывную, корпускулярную или непрерывную, волновую природу и их движение подчиняется динамическим законам классической механики.

Своеобразная граница раздела макро- и микромира была установлена в связи с открытием так называемой постоянной Планка. Существенным аспектом этой новой константы явилась «конечность взаимодействия», означавшая, что любые взаимодействия между объектами в микромире (в т. ч. между прибором и микрочастицей) не могут быть меньше значения кванта действия. Специфика макро- и микромира находит свое отражение в познании, приводит к ограничению сферы применимости старых физических теорий и возникновению новых (теория относительности, квантовая механика, физика элементарных частиц).

Наука показывает тесную связь между макро- и микромиром и обнаруживает, в частности, возможности появления макроскопических объектов при столкновении микрочастиц высокой энергии.

Представление о макромире составляют наиболее старый компонент естествознания. Еще в донаучный период сложились определенные представления об этом уровне организации материи, они носили характер натурфилософии, т.е. наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов, при отсутствии методов экспериментального исследования. Самый большой вклад в исследование макромира сделали представители классического естествознания. Начало формирования научных взглядов на природу относится к XVI веку, когда Г. Галилей обосновал гелеоцентрическую систему Н. Коперника, открыл закон инерции, разработал методику нового описания мира - научно-теоретического (выделение некоторых физических и геометрических характеристик исследуемых объектов). Таким образом, он заложил основы механистической картины мира. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал теорию механики, описывающую одинаковыми закономерностями и движение небесных тел и земных объектов.

В физике макромира теория измерения времени и пространства находится в согласии с ее теоретическими принципами и понятиями, поскольку теория измерения разработана для процедуры, осуществляемой в условиях макромира, и ее абстракции являются во многом абстракциями от твердых тел и их движения. Так что в отличие от общей теории относительности и квантовой физики в этой области нет трудностей в согласовании языка теории и языка экспериментальной деятельности.

Вещество, вид материи, которая, в отличие от поля физического, обладает массой покоя. В конечном счете, вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном из электронов, протонов, нейтронов). В классической физике вещество и поле физическое абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго -- непрерывна.

Как видно, на главный вопрос: "что такое вещество?" такое определение ответа не дает. Основной недостаток этого определения состоит в том, что вещество представлено как одна и разновидностей материи. Дискретное вещество не может быть разновидностью непрерывной материи. Кроме того, эта формулировка не отражает генетической связи материи и вещества. Проблема происхождения вещества - генезис вещества, является одной из сложнейших нерешенных задач физики. Физика много внимания уделила синтезу вещества, но генезис остался вне поля зрения физики.

После таких уточнений, дано следующее определение веществу Косинов Н.В., Гарбарук В.И. МАТЕРИЯ И ВЕЩЕСТВО// http://www.nihononline.ru/index-66.htm :

Вещество - это дискретное информационно-энергетическое воплощение материи. Вещество представлено различными формами проявления материи в виде дискретных частиц, обладающих массой покоя. Вещество имеет дискретную структуру, но своим происхождением оно обязано непрерывной материи. Дискретность является главным признаком вещества. Вещество можно представить следующей обобщенной формулой:

Вещество = Материя(М)+Энергия(E)+ Информация(I)

Таким образом, вещество представляет собой составную сущность, в которой материя является лишь одной из составляющих. Информационная составляющая наделяет вещество важнейшим признаком - дискретностью. Энергия проявляется как масса покоя.

Вещество может находиться в четырех состояниях: газ, жидкость, твердые тела, плазма. Первыми представителями вещества в иерархической системе мира являются две элементарные частицы - электрон и позитрон. Эти две частицы порождает физический вакуум в условиях информационно-энергетического возбуждения. Современные знания об этих двух частицах явно не соответствуют той роли, которая отведена им в Природе. Раскрытие механизма происхождения электрона и позитрона и механизма образования протона являются ключевыми задачами на пути выяснения единых законов устройства микромира и мегамира.

Существует предел делимости вещества. Этот предел представлен электроном и позитроном. Электрон и позитрон, находятся на нижней границе вещественного мира. Часто электрон и позитрон считают объективно существующими частицами и рассматривают их как данность Природы, считая их "не возникающими и не исчезающими". Настало время решать новую задачу - задачу происхождения электрона и позитрона. Они и возникают и исчезают. Возникают из физического вакуума и аннигилируют, порождая кванты энергии в непрерывной материи. Граница между материей и веществом условна, так как предельное состояние первой является началом второго уровня организации - вещества.

Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого противопоставления. Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго отграничены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причём философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. Вещество в земных условиях встречается в четырёх состояниях: газы, жидкости, твёрдые тела, плазма. Высказывается предположение, что вещество может существовать также в особом, сверхплотном состоянии (например, нейтронном состоянии.

НООГЕНЕЗ (от греч. noos разум и ...генез), современный период эволюции жизни на Земле, означающий, согласно В.И. Вернадскому, превращение биосферы в сферу разума -- ноосферу; эволюция, управляемая человеческим сознанием.

Ноогенез -- это процесс развертки в пространстве и развития во времени интеллектуальных систем (интеллектуальной эволюции) Еремин А.Л. Ноогенез и теория интеллекта. -Краснодар: СовКуб, 2005.. Ноогенез представляет собой совокупность закономерных, взаимосвязанных, характеризующихся определенной временной последовательностью структурных и функциональных преобразований всей иерархии и совокупности взаимодействующих между собой относительно элементарных структур и процессов интеллектуальных систем, начиная от момента возникновения и обособления разумной системы до современности (филогенез нервных систем организмов; эволюция человечества, как автономной интеллектуальной системы) или смерти (в ходе онтогенеза мозга человека).

Интеллектуальная система -- совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур и процессов, объединенных в целое выполнением функции интеллекта (целенаправленного, опосредованного и обобщенного познания, активного отражения объективной реальности, логического и творческого мышления), несводимой к функции ее компонентов.

Признаки интеллектуальной системы: взаимодействие со средой и другими системами как единое целое, состоит из иерархии подсистем более низкого уровня.

В процессе эволюции численность человечества возрастает от двух первочеловек до около 70 млн. человек (XX век до н.э.), около 300 млн. (к началу н.э.), около 1 млрд. (к 30-м годам XX века н. э.), 6 млрд. к концу XX века.

По данным Бюро Переписи Населения CLQA\US Census Bureau, количество жителей планеты увеличивается не такими быстрыми темпами, как ранее. Пик прироста был зафиксирован в 1962--1964 годы, когда он достиг 2,2%. К 2050 году численность человечества будет увеличиваться, в среднем, на 0,42% ежегодно. В 1999 году население Земли перевалило отметку в 6 млрд. человек. В 2013 году оно достигнет 7 млрд., в 2028 году -- 8 млрд., в 2048 году -- 9 млрд. В соответствии с математическими моделями С.П. Капицы количество человечества может достигнуть 12,5--14 млрд. в XXI-XXII веках.

Совместная глобальная высокоразумная деятельность людей, объединенных в человечество, привела во второй половине XX века к актам, отображающим единство и уровень информационно-интеллектуального потенциала планеты: основание ООН, освоение атомной энергии и космоса, организация спутникового телевидения и всемирных энергетической, телефонной, компьютерной сетей и пр.

К началу XXI века сформировалась и продолжает совершенствоваться «психика человечества», так как из результатов современных исследований становится ясно, что человечество в целом является материальным носителем отображенной объективной реальности, возникающей в процессе взаимодействия отдельных личностей, групп людей и человечества в целом с внешним миром, начинают появляться и зависящие от этого регулятивные функции (в поведении, деятельности, принятии решений), если не всего человечества, то больших групп людей.