§ 45. Современная естественнонаучная картина мира

Физика, являясь наукой о природе, дает человеку знания об окружающем его мире, позволяя тем самым, с одной стороны решать проблемы цивилизации, а с другой — беречь нашу планету для будущих поколений. Как объединить накопленные знания? Что сегодня должен знать каждый образованный человек о физических явлениях?

В курсе физики вы познакомились с различными видами взаимодействий тел и объектов в природе, определяющими не только разнообразие физических явлений окружающего нас мира, но и направление эволюции Вселенной. Физика — наука о природе, однако в каждом ее разделе подробно рассматриваются физические явления только с одной стороны, выделяя те или иные свойства материи по определенному признаку. Познание законов природы исторически также шло в основном на базе того или иного физического подхода.

По мере накопления знаний человечество стремилось «соединить» все разрозненные факты и законы в рамках обобщенной, научной картины мира. Под картиной мира понимают совокупность теорий, законов и принципов, описывающих окружающий нас мир.

Первая, механическая картина мира была основана на классической механике И. Ньютона (рис. 233). В основе построения этой картины мира лежало объяснение причин и установление закономерностей механического движения небесных тел, а также макро- и мегасистем (Земля, Луна, Солнце, Солнечная система, Галактика). В качестве первопричины механического движения рассматривалось гравитационное взаимодействие между телами, бесконечно быстро передаваемое на любые расстояния во Вселенной.

Напомним, что на основании силовых или энергетических представлений можно установить законы движения различных объектов: от атомов и молекул до планет и звезд. Важнейшую роль играют принципы инерции и относительности, введенные в механику Г. Галилеем.

На основе механической картины мира в XVIII – XIX вв. была разработана «земная», небесная и молекулярная механики. Однако в то же время в физике накапливалось значительное количество экспериментальных данных, противоречащих идеям атомизма (дискретности строения вещества), которые лежали в ее фундаменте.

Изучение электрических и магнитных взаимодействий существенно изменило представления о материи и привело к появлению электромагнитной картины мира (см. рис. 238). В ее основе лежали представления о мире, в котором все явления описываются с помощью сил (гравитационных и электромагнитных). Основной вклад в создание электродинамики внесли Ш. Кулон (электростатические взаимодействия), А. Вольта (источник постоянного тока), А. Ампер (магнитные поля и токи), М. Фарадей (электромагнитная индукция), Дж. Максвелл (теория электромагнетизма), Г. Герц (открытие электромагнитных волн) и Г. Лоренц (классическая электронная теория строения вещества).

М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены дискретных (корпускулярных) представлений о материи непрерывными (континуальными). Материя по Фарадею представлялась как непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами. Дж. Максвелл создал математическую теорию электромагнитного поля. На основании этой теории он сделал вывод, что распространение электромагнитного возмущения происходит с конечной скоростью в виде электромагнитных волн. Новая картина мира сменила и принципы передачи взаимодействия: они предаются посредством поля непрерывно от точки к точке и с конечной скоростью.  Как следует из электромагнитной картины мира, внутреннее строение вещества определяется действием электромагнитных сил.

Фактическим завершением  формирования электромагнитной картины мира стала специальная теория относительности А. Эйнштейна. Он дополнил законы электродинамики идеей относительности как пространства, так и времени.

Однако на рубеже XIX-ХХ вв. обнаружился ряд теоретических проблем и экспериментальных фактов, которые не находили объяснения в рамках электромагнитной картины мира: радиоактивность, тепловое излучение, атомные спектры, устойчивость атомов.

Первые радикальные шаги в создании квантово-полевой (см. рис. 233) картины мира были сделаны в начале ХХ в. Квантование излучения в процессах испускания, поглощения и распространения (М. Планк А. Эйнштейн); стационарные состояния электронов в атоме (Н. Бор); совершенно фантастическая для своего времени идея — корпускулярно-волнового дуализма (Л. де Бройль) и, наконец, создание квантовой механики (Э. Шредингер, В. Гейзенберг, П. Дирак, В. Паули).

Изучение строения атомного ядра (Э. Резерфорд, П. Кюри и М. Складовская-Кюри, Дж. Чедвик) привело к становлению физики атомного ядра и элементарных частиц. Были открыты принципиально новые типы взаимодействий свойственные только микромиру субатомных частиц – сильное и слабое. Энергия ядерных реакций была поставлена на службу людям (Э. Ферми, И. Курчатов).

Особенностью современной физической картины мира является ее вероятностный характер, который выражается в виде статистических законов (см. рис. 233), изучаемых в рамках статистической физики. Здесь, в отличие от механической картины мира, нет «жесткой» определенности «будущего».

Здесь случайность событий выступает как объективное свойство материи. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое и приводит к появлению частиц.

Отметим две закономерности, присущие развитию физики как таковой. Первая выражена принципом соответствия (см. рис. 233): частные теории, справедливость которых  экспериментально подтверждена, с появлением более общих теорий сохраняют свое значение как частный или предельный случай. Примером может служить специальная теория относительности, выводы которой при малых скоростях соответствуют выводам механики Ньютона.

Вторая закономерность — интеграция или взаимопроникновение разделов физики. Например, развитие физики элементарных частиц и ее слияние с астрономией привели к появлению астрофизики, занимающейся закономерностями эволюции звезд и Вселенной.

Квантово-полевая картина мира по мере накопления новых научных фактов и появления новых научных гипотез продолжает развиваться.

Таким образом, под естественнонаучной картиной мира понимают совокупное современное знание об окружающем нас мире, накопленное естественными науками: физикой, астрономией, математикой, химией, биологией. Физическая картина мира является составной частью естественнонаучной картины мира.

Физическая картина мира не исчерпывается представлениями о структурном строении материи. Она проявляется также и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.

Так на рисунке 233-1 представлена структура мира в порядке увеличения размеров соответствующих объектов. 

Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий объектов в окружающем нас мире (частиц, тел, галактик), в природе, по современным данным, присутствуют лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий. Они различаются по интенсивности и радиусу действия. Именно эти фундаментальные взаимодействия и являются главными «действующими лицами и исполнителями» в построении современной физической картины мира.

Самое слабое из взаимодействий — гравитационное взаимодействие.  Оно примерно в 10³⁸ раз слабее ядерного. Это взаимодействие описывается законом всемирного тяготения, который был открыт И. Ньютоном в 1687 г. Гравитационные силы действуют между любыми телами, в том числе и между элементарными частицами, однако решающую роль они играют лишь у астрономических объектов, имеющих колоссальные массы.

В электромагнитном взаимодействии участвуют любые электрически заряженные частицы и тела, а его «переносчиком» (квантом электромагнитного поля) являются фотоны. Электромагнитные силы обеспечивают возможность стабильного существования атомов, молекул, определяют механические свойства твердых тел, жидкостей и газов.

Сильное взаимодействие проявляется при взаимодействиях нуклонов внутри ядра (адронов). В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые можно отнести к дальнодействующим, т.е. действующим на расстояниях, характерных для макромира, сильное взаимодействие является коротко действующим, так как оно проявляется на расстояниях не более размеров ядра (). Однако на этих расстояниях сильное взаимодействие значительно интенсивнее электромагнитного и тем более гравитационного, за что и получило свое название. Образно сильное взаимодействие можно назвать «богатырем с короткими руками». Сильные взаимодействия между нуклонами в ядрах атомов обеспечивают устойчивость ядер различных атомов. Согласно современным представлениям, сильное взаимодействие переносится квантами нового типа — глюонами, которые подобно фотонам являются безмассовыми частицами.

В слабом взаимодействии участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых сил определяется характерным размером элементарных частиц (). Это взаимодействие сильнее гравитационного, но значительно слабее электромагнитного и сильного взаимодействий. Слабые взаимодействия проявляются при распадах одних элементарных частиц, в результате чего появляются другие элементарные частицы. Таким образом, слабое взаимодействие определяет стабильность элементарных частиц и играет решающую роль при их взаимопревращениях. Оно осуществляется посредством обмена достаточно массивными частицами — бозонами (W⁺, W^-, Z⁰), массы которых составляют около 80 масс протона. Бозоны были экспериментально открыты в 1983 г.

Если принять интенсивность сильного взаимодействия за единицу (), то относительная интенсивность электромагнитного взаимодействия будет  составлять  , слабого , гравитационного  . Из этого следует интересный факт – наибольшие усилия в природе необходимы для удержания наиболее мелких частиц, а не планет или звездных гигантов!

Все многообразие окружающих нас взаимодействий, согласно современной квантово-полевой картине мира, сводится к взаимодействию двух групп квантовых объектов, первую из которых составляют участники фундаментальных взаимодействий, а вторую — их переносчики.

К участникам взаимодействий относятся электроны, протоны, нейтроны, которые и являются первичным «строительным материалом» для создания всего материального в природе. Обмен частицами–переносчиками (гравитон, фотон, глюоны и бозоны) позволяет частицам – участникам осуществлять четыре типа фундаментальных взаимодействий, к которым сводятся все наблюдаемые взаимодействия в природе. Образно можно представить себе окружающий мир как царство «кишащих и взаимодействующих друг с другом» фундаментальных частиц.

На следующем «уровне» более сложной организации материи располагаются элементарные частицы, составленные из фундаментальных, общее число которых, согласно современным данным, — более 500. Далее следуют ядра, состоящие из нуклонов, общее число соответствует числу химических элементов и их изотопов — 2000. На следующем этапе организации материи появляются атомы, составленные из ядер и электронов, количество которых соответствует количеству ядер.

Атомы, взаимодействуя между собой, образуют молекулы, общее число которых оценивается примерно в 10 млн и постоянно возрастает за счет синтеза новых соединений. Молекулы образуют различные вещества, вещества — тела, тела — астрономические объекты, астрономические объекты — Вселенную.

В настоящее время актуальной является проблема объединения различных типов фундаментальных взаимодействий в рамках одной теории. Обнадеживающим успехом на этом пути стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие (рис. 234). На повестке дня — построение теории большого объединения, включающую в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию, в рамках теории суперобъединения. Эта теория может быть создана на основе новейшей физической теории «суперструн», разработанной американским физиками М. Грином и Дж. Шварцем, объединяющей все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Помимо построения современной физической картины мира, которая является составной частью современной естественнонаучной картины мира, физика «сформулировала» ряд принципов, которые являются общими для любого научного исследования, т.е. они могут считаться философскими принципами. Сюда следует отнести принцип причинности, принцип относительности, принципы сохранения, принцип инвариантности, принцип дополнительности, принцип соответствия и некоторые другие.