Чтение онлайн

С появлением теории относительности Эйнштейна (1905 г.) начинается второй период в развитии физики. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития. Прежде всего были разработаны новые специальные теории: релятивистская «динамическая» механика, релятивистская «феноменологическая» термодинамика, релятивистская статистическая механика. Что касается электродинамики Максвелла, то она была дополнена электродинамикой движущихся тел.

Первой качественно новой теорией этого периода стала общая теория относительности (1916 г.), которая фактически является теорией тяготения. Чтобы ее построить, в электромагнитную картину мира А. Эйнштейном было введено понятие о кривизне пространства-времени, что расширяло конкретные представления о пространстве и времени. Как известно, по Ньютону, тяготение определялось как особая способность тел мгновенно притягивать друг друга при любых расстояниях между ними. Такое понимание тяготения является поверхностным, однако оно просуществовало в физике более 200 лет. Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения. При этом большое философское значение имеет введенная Эйнштейном зависимость кривизны пространства-времени от распределения масс, т. е. от таких видов материи, как вещество и поле. Тем самым получило подтверждение известное положение материалистической диалектики о взаимосвязи пространства, времени и движущейся материи.

К тому же в результате новых экспериментальных открытий в области строения вещества в конце XIX — начале XX в. все больше обнаруживалось непримиримых противоречий между электромагнитной картиной мира и опытными фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и было установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие, которое сопровождается испусканием -лучей (ионов гелия) и -лучей (электронов). Изучение этих явлений создало основу для построения эмпирических моделей атома. Такого рода модели, построенные на основе опытных данных, противоречили электромагнитной картине мира.

В 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности (квантовом характере) процессов излучения. Сам Планк, в то время приверженец электромагнитной картины мира, отмечал, что он испытывает отвращение к такой странной гипотезе, разрушающей стройное здание электродинамики Максвелла. Однако гипотеза Планка о квантах излучения оказалась очень плодотворной.

Противоречия между электромагнитной картиной мира и новыми открытиями в области строения атома и законов излучения становились все более непримиримыми. Назревала новая революция в физике, связанная с заменой существующей картины мира квантово-полевой.

В начале XX в. эмпирически полученные данные о строении атома и о законах излучения оказались в противоречии с теорией электродинамики Максвелла, и это вело к принципиально новым представлениям о материи и движении. С одной стороны, представления о материи как о непрерывном бесконечном электромагнитном поле подтверждались огромным количеством экспериментальных данных, с другой — факты прерывности излучения и факты, свидетельствующие о сложном строении атома, нельзя было игнорировать. Таким образом, возникли два несовместимых представления о материи: или она абсолютно непрерывна, или она состоит из дискретных частиц. В начале XX в. предпринимались многочисленные попытки совместить эти две точки зрения на материю (и на весь мир). При этом возникло множество предположений и гипотез, но все они, как правило, не могли объяснить, как могут существовать взаимоисключающие представления о материи. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Как выразился один из крупных физиков, П. Иордан, в этой науке воцарилось «беспокойство и смятение» [72] .

Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предполагал, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. Данное предположение первоначально казалось странным и непонятным даже таким физикам, как Э. Резерфорд, который является одним из авторов планетарной модели атома [73] .

Однако именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль, используя аналогию между принципами наименьшего действия в механике и оптике, высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Тогда, отмечал де Бройль, становилась понятной теория Бора [74] .

Эти физические представления нашли подтверждение в работах, выполненных в 1925–1927 гг. Э. Шредингером и В. Гейзенбергом. Первый на основе гипотезы де Бройля нашел волновое уравнение для частиц, а второй, развивая идеи Бора, дал основное уравнение квантовой механики в матричной форме. Вскоре М. Борном была показана тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.

В формировании квантово-полевой картины природы большую роль сыграла диалектическая идея о единстве прерывного и непрерывного. Тот, кто принимал эту идею, легко воспринял корпускулярно-волновой дуализм в представлениях о материи и движении. При построении первой квантовой теории поля — электродинамики Дирака — оно рассматривалось как совокупность частиц, а квантовые частицы — как возбуждение поля. Тем самым устанавливалась неразрывная взаимосвязь элементарных частиц и квантовых полей.

В настоящее время открыто несколько сот элементарных частиц. По массе они делятся на две группы: тяжелые (адроны) и легкие частицы (лептоны). При этом сначала было теоретически предсказано, а затем экспериментально подтверждено, что каждой элементарной частице соответствует античастица, обладающая противоположным знаком заряда и некоторыми другими квантовыми характеристиками. Одна из основных особенностей элементарных частиц — их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. Каждому виду элементарных частиц соответствуют свои формы взаимодействия. Кроме ранее известных электромагнитных (в которых участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом) и гравитационных взаимодействий (в которых участвуют вообще все частицы) были открыты два новых вида взаимодействий: сильные, в которых участвуют адроны, и слабые, в которых участвуют лептоны. При этом происходит обмен виртуальными (короткоживущими) частицами, различными для разных видов взаимодействия. Это расширило представления о самом механизме взаимодействия. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле. Оно может находиться в возбужденном состоянии. При переходе поля из одного состояния в другое число частиц меняется.

Несмотря на тесную взаимосвязь понятий поля и частицы, понятие поля как совокупности частиц не исчерпывает его содержания. Специфика квантово-полевого понимания материи выражается и в том, что поле сохраняется даже тогда, когда частицы в нем отсутствуют. Такое состояние поля называется невозбужденным («нулевым»). Его не совсем точно называют вакуумом: в таком поле отсутствуют лишь частицы, но само поле остается протяженной материальной физической реальностью. Это подтверждено экспериментально. Представление о невозбужденных полях играет все более важную роль в квантово-полевой картине мира.

Ее особенность состоит в том, что в характеристике взаимопревращения частиц не действует закон сохранения их числа, т. е. частицы могут возникать, уничтожаться и превращаться в строгом соответствии с определенными законами сохранения (энергии, импульса, заряда и некоторых других специфически-квантовых величин). Совокупность этих законов в конечном счете является формой выражения всеобщего закона сохранения материи и движения [75] .

Современные квантово-полевые представления о материи и движении не получили еще своей окончательной формулировки. Во-первых, в процессе развития атомной техники и эксперимента открываются все новые и новые разновидности микрообъектов. Во-вторых, в последние годы были сначала предсказаны теоретически, а затем зафиксированы экспериментально составные части квантовых частиц — так называемые кварки. Из них состоят все элементарные частицы, кроме лептонов. Поэтому стали говорить о кварках и лептонах как о фундаментальных частицах, из которых состоят все элементарные частицы. Однако в последнее время появились гипотезы о существовании еще более «элементарных» частиц, структурных элементов, из которых состоят кварки и лептоны. Эти гипотетические частицы названы «перонами». Как видно, в развитии квантово-полевых представлений подтверждается ленинское положение о неисчерпаемости материи вглубь.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме. Уравнения поля, выражающие объективные связи и законы, отражают и возможности тех или иных квантовых процессов, которые могут произойти в данной квантовой системе. В частности, вероятностная обусловленность тех или иных ее свойств выражена в соотношениях неопределенностей сопряженных пар физических величин: координаты и импульса, времени и энергии и некоторых других. Вследствие этих неопределенностей об элементарной частице нельзя говорить как о частице в обыденном понимании.