КурганскийГосударственный Университет (экономический факультет)
Реферат
Тема: Становление физической картины мира от Галилеядо Эйнштейна
проблема элементарного.
Курган 2001
План.
Введение…………………………………………………………….3-4
I. Метод Галилея……………………………………………………4-5
1.Анализ исторической обстановки и проблемной ситуации в науке. Новыеконцепции Галилея……………………………..4-5
2.ЗаслугаГалилея………………………………………………5
II.Классическая механика…………………………………………5-7
III.Максвелл: развитие и кризис механической картинымира…7-13 1.Молекулярно – кинетическаяконцепция……………………7-10
2.Теориияэлектромагнитного поля и кризис механической картины мира…………………………………10-11
3.Эйнштейн и рождениерелятивистской физической картины мира……………………………………………………………..11-13 Заключение………………………………………………………….13
Введение…………………………………………………………….14
V.Проблема Элементарного…………………………………….14-21
1.Какойобъект можно назвать «самым элементарным»…..15-17
2.Систематика элементарных частиц. Суперэлементарныечастицы…………………………………17-20
Заключение………………………………………………………..20-21
Списоклитературы………………………………………………….22
Введение.
Научную картину мираследует понимать как широкую панораму современных знаний о природе, включающуюв себя наиболее важные факты, гипотезы, теории. Функциональное значение такогорода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания, связи различныхразделов естествознания. При этом есть расхождения понимания того, для чегонеобходим синтез:
ü Одни считают, что он нужен в плане методологическом, обеспечиваяинтеграцию научного знания.
ü Другие – что он нужен скорее в плане психологическом, помогаяпреодолевать узкую специализацию современных исследований.
Это различие в понимании функций картины мира всвою очередь ведет к расхождению в самом подходе к её анализу:
— В первом случае для понимания смысла и роли картины мира внаучном познании необходимо рассматривать методологию современной науки,структуру научного знания;
— Во втором – исследовать специальную обусловленность научногопознания, социально – психологические и социокультурные факторы деятельностиучёных.
В противовес точке зренияавторов, выдвигающих на первый план идею синтеза, объединения разнообразныхестественнонаучных знаний, ряд исследователей считает, что научная картина миранеобходима при построении каждой отдельной теории как составная часть еёфундамента. (В.С. Степин)
В.С.Степин считает, что научная (например, физическая) картина является необходимымкомпонентом каждой отдельной теории. Будучи по происхождению результатомсинтеза научных знаний, частнонаучные картины мира дают, по его мнению, видениеосновных систематических характеристик предмета исследования соответствующейнауки. «Такое видение. Изменяясь по мере исторического развития научныхзнаний, выражается по средствам представлений:
1. Об элементарных объектах, из которыхпредполагаются построены все другие объекты, исследуемые в соответствующейнауке
2. О типологии исследуемых объектов
3. О характеристике взаимодействияобъектов (об особенности причинности и закономерности)
4. О пространстве – временныххарактеристик изучаемой реальности».
Учитываяуказанные разногласия, В.А. Амбарцумян и В.В. Каротинский предполагаютразличные трактовки физической реальности в широком и узком смысле этогослова.
Физическаякартина мира в узком смысле этого слова – это система фундаментальныхконструктов, характеризующих основные свойства физической реальности(пространства, время, вещество, поле, вакуум) связи между которыми представленыфизическими принципами.
Физическаякартина мира в широком смысле этого слова – это наиболее общие конкретно-историческиепредставления о физическом мире, который с точки зрения стиля научного мышленияконкретной эпохи рассматривается как наиболее важные и существенные.
II.Метод Галилея.
Сименем Галилея связано начало принципиально важного этапа развитияфизического знания – восхождение на уровень познания.
Ø Анализ исторической обстановкии проблемной ситуации в науке. Новые концепции Галилея.
Принятыев научном сообществе того времени методологические принципы требовали, чтобытеоретические суждения непосредственно подтверждались чувственным данным.
Историческисложившаяся проблемная ситуация не позволяла Галилею принять порцию эмпиризма[1],согласно которой все научные утверждения возникают только в результатеобобщения непосредственно наблюдаемых фактов. Он стремился выработать изащитить существенно иное отношение исследователей к эмпирическим данным.
Требованиялогической (и математической) самосогласованности, системной целостности всехутверждений физической науки опирается у Галилея на важную мировоззренческуюидею о целостности Вселенной, единообразии «способа действия самой природы».
Целостность,совершенство, самосогласованность научного знания (которой не смогли добитьсяни Аристотель, ни тем более его средневековые последователи) основываются нагармонии мироздания.
Вметодологическом плане это означает, что наука должна находить исходные,базисные формы этого порядка, обладающие к тому же высшей универсальностью ипотому позволяющие на их основе объяснить всё происходящие в мире. Так, вфизике Нового времени входила идея, что общий принцип построения целостной,объясняющей все явления научной теории должен исходить из общей физическойкартины мира.
ПоГалилею, закономерности мира отражаются именно в количественных отношенияхмежду наблюдаемыми явлениями, а не в той внешней видимости отдельно взятыхфактов, которые носит видимости обычно обманчивый характер. Математика,отражающая универсальные формы природных законов, выступает для Галилеяважнейшим средством проверки взаимной согласованности фактических данных итеоретических построений.
СогласноГалилею, логические конструкции из идеализированных объектов можнорассматривать как научно достоверные при следующих условия:
ü Вся система выдерживает проверкуна внутреннюю логическую согласованность, целостность;
ü Идеализации и теоретическиемодели, отражая общие законы данной области явлений, позволяют с единых позиций(единообразным способом) объяснять всю совокупность фактов, в том числе икажущихся эффектов, предсказать ещё не наблюдавшиеся события;
ü Идеализация и теоретические моделиотнюдь не являются вспомогательными или фиктивными умственными построениями,они отражают общий план мироздания, общие законы данной области явлений,картину мира.
Ø Заслуга Галилея.
Онне только обратился к научным эксперимента, не только ввёл метод предельныхидеализаций, не только использовал математику, но прежде всего предвосхитилпринципы методом построения физических теорий. Эта методология включает в себяиспользование экспериментов (как реальных, так и мысленных), созданиефундаментальных идеализаций, построение с их помощью конструктивныхтеоретических моделей реальности с применением математического аппарата и самоеглавное, без чего теряет смысл применение всех указанных методологическихсредств, — «разработку и конструктивное использование общих представлений опринципах строения мироздания, научной картины мира на теоретическом уровне».
III. Классическая Механика.
Вистории механики за работами Галилея (который также имел предшественников внакоплении эмпирических фактов и обобщений и в разработке теоретических предпосылокмеханики) последователи многочисленные работы целой плеяды выдающихся учёных.Их коллективными усилиями шаг за шагом не только строилось всё зданиеклассической механики, но и совершенствовался её концептуальный фундамент,система исходных теоретических идеализаций. Создание фундамента идеализацийявилось своеобразной, характерной для теоретического уровня познания формойлогического анализа материальной действительности. Продуктами анализа сталиидеализации элементарного объекта, элементарного процесса, пространственно –временных отношений, формы детерминизма[2],отразившие конкретное содержание картины мира.
Хотячувственные восприятия небесных тел, движения которых оказалось в центревнимания Галилея и Ньютона, с самого начала подсказывали образ точечногообъекта, теоретическая идеализация материальной точки родилась не сразу. ИГалилей, и Ньютон широко использовали понятие тела как движущегося объекта.Лишь позже, когда выяснилось, что поле тяготения сферически симметрическоготела выглядит в точности так, как если бы вся масса этого тела быласосредоточена в его геометрическом центре, в одной точке, идея теоретическогозамещения материальных тел идеализированными образами материальных точек могларассматриваться как логически согласованная со всем содержанием теории.
Идеализацияматериальной точки широко использовалась Л. Эйлером в егопрограмме построения механики. В основе этой программы, которую Л. Эйлеру вомногом удалось реализовать, лежало принципиальное убеждение, что сложные случаимеханического движения могут быть теоретически представлены конструктивнымимоделями, построенными из образов взаимодействия и перемещающихся материальныхточек. Логически исходным пунктом системы механики, по Л. Эйлеру, выступаютизложенные в его трактате 1736 года теория движения свободной материальнойточки и динамика точки при наличии связей.
Кромеидеализации основного элементарного объекта в логической структуре теориипринципиальное значение имеет идеализация основного элементарного процесса (вданном случае – формы движения). Галилей вплотную приблизился к выработке такойидеализации в представлениях о равномерном движении (по окружности), которое,раз начавшись, продолжается бесконечно, если этому не препятствует внешниедействия.
Р.Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировавший два исходных понятия:«…однажды пришедшее в движение тело продолжает двигаться, пока это движение незадержится каким-либо встречным телом.», при этом «каждая частица материи вотдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, аисключительно по прямой…». Соединённые вмести эти два положения у И. Ньютонаприняли форму первого закона механики.
Дляпостроения теоретических моделей механического движения существенно системапространственно – временного описания. Введение системы координат и разработкаматематики переменных величин вооружили учёных универсальным средством теоретическогоизображения механического движения, сочетающего в себе высокую степеньабстрактности (изображение движения тела математической функцией) с высокойстепенью наглядности (графики функций в заданной системе координат могнепосредственно изображать траекторию перемещения тела в пространстве стечением времени).
Теоретическоезнание может выполнить свои основные функции лишь в том случае, если в нёмотражена конкретная форма детерминации исследуемых явлений, прежде всегофундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия. И. Ньютон ввёлпонятие силы как причины изменения состояния движения по величине и понаправлению (или одновременно по величине и по направлению). В механике Ньютонаисточниками и точкой приложения сил являются материальные точки.
Центральноеместо в системе трёх законов механики занимает второй закон Ньютона –основной закон движения. Он связан с изменением состояния материальнойточки с величиной и направлением действующей на него сил: ускорение, с которымдвижется тело прямо пропорционально силе действующей на это тело и обратнопропорционально массе этого тела. Данный закон позволяет объяснить ипрогнозировать изменение механического движения тела в зависимости от величиныи направления силы и от предшествующего состояния движения.
Выдающейсязаслугой Ньютона явилось установление конкретного закона, определяющеговеличину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия, — законВсемирного тяготения.
Несмотряна ограниченность механической картины мира по её содержанию, основныеособенности методологии физического познания, проявившиеся в ходе создания иразвития классической механики, воспроизводятся и в процессе построенияпоследующих физических теорий, как бы ни отличалось их конкретное содержание идаже содержание фундаментального представление картины мира от концептуальногосодержания классической механики. В этом отношении классическая механика досегодняшнего дня остаётся и классическим примером построения естественно –научной теории.
IV. Максвелл: развитие и кризисмеханической картины мира.
Ø Молекулярно-кинетическаяконцепция.
Важнаямировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже вработах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применятьфундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям,непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новыйпринципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связанс применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойствагазов, а затем жидкости и твёрдых тел.
Основные этапы развития знаний о свойстве газов:
В1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стекляннойтрубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздухауравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наукаполучила прибор для измерения давления.
Почтичерез 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутомсосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Этоозначало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная(для данной массы газа при постоянно температуре).
В1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде сизменением температуры на один градус давление газа изменяется на 1/273 первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.
Через14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газаменяется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).
Входе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая областьсвоеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения,выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммычастных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимобыло либо найти возможность ввести теоретические представления механики с ихцентральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичныедля данных фундаментальные образы. Последние означало, что длятеоретического объяснения свойств газов необходима физическая картина мира,отличающаяся от механической.
Исследованияна теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранееразрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С.Карно, Б. Клайперон, в 1834 году объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссакаи Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютнойтемпературе. Найденные ранее эмпирические законы можно было вывести изобъединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тотсущественный для практики случай, когда одновременно применяются все трипараметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещёформальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватных представлений о природетеплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какимипредставлениями о природе газа, с помощью которого можно было бы объяснитьзаконы его поведения.
Следующийшаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию — во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годовони чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним иразвили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамикибыло введено понятие энтропии[3],важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.
Принципытермодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные дляпонимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамическойкартины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о такназываемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второгопринципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиямитермодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, чтос течением времени разность температур между телами во Вселенной должнаисчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти,так как динамические процессы, порождающие и поддерживающиесложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможностипроизводить работу.
Представление так называемой аксиоматической (то есть формальнопостроенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могутпретендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более втеоретическом осмысление всех процессов Вселенной.
Основополагающиеработы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежатКлаузиусу. Это общий метод построения объясняющих теоретических моделей длягазов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числадвижущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами имолекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул:кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебаниеотносительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает ивнутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однакоКлаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скоростивсех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ликакой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётахусловно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующеесреднему статистическому.
Вопросыо характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в областимолекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом.«…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменитьневыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулырегистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах.Следуя этому методу, — единственно возможному с точки зрения экспериментальной,так и математической мы переходим от строго динамических методов к методам статистикии теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующееважное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно менятьсяпри каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или инуюгруппу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждойотдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было техническивозможно.
Толькопереход к более последовательной системно согласованной трактовкестатистического характера законов движения молекул газа позволили получитьрезультаты, согласующиеся со всеми экспериментами.
Наоснове статистической трактовки природы второго закона термодинамики Л.Больцман разработал последовательное разрешение парадокса «тепловой смерти»Вселенной. Современной точки зрения оно уже не является достаточно полным идостаточно убедительный, но в то время это было первым логическим согласованным«в рамках имевшихся теоретических представлений» ответом на вопрос, почему«тепловая смерть» ещё не наступила. По Л. Больцману, «тепловая смерть»наступила много раз и много раз Вселенная в большей или меньшей степениотклонилась от равновесного состояния полного молекулярного беспорядка ксостояниям неравновесным и более упорядоченным, то есть к состояниям с меньшейэнтропией, с температурными различиями. Это возможно потому, что в процессах,подчинённых статистическим законам, всё время возникаю флуктуации — случайные отклонения от наиболее вероятного состояния.
Молекулярно– кинетическая концепция, в отличие от классической механики, имелапринципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структурувещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях,твёрдых телах.
Ø Теория электромагнитного поля икризис механической картины мира.
Дж.К. Максвелл не только внёс вклад в развитие молекулярно – кинетическойконцепции, базировавшейся на представлениях механической картины мира, но исоздал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение этой картины.
Механическаякартина мира опиралась на представления, что силы действуют по направлениюпрямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), то естьявляются центральными силами. Другими словами в картине мира классическоймеханики все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию частиц, этобыло, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновской системыабстрагироваться от роли промежуточной среды в передачи взаимодействия.
Соткрытием Х. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация противоречившая представленияммеханической картины мира: на определённом расстоянии от проводника с токомна магнитную стрелку действовала сила, которая не притягивала и не отталкивала,а лишь стремилась вращать стрелку вокруг проводника, то есть действовала в«бок». В след за развитием Эрстеда А. Ампер доказал на опыте, что круговойэлектрический ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самымбыла выявлена не только удивительная симметрия электрического и магнитногоявления (прямолинейный проводник с током создаёт магнитное поле, направленноепо кругу вокруг проводника; круговой ток создаёт магнитное поле, направленноепо оси круга), но и их глубокое внутреннее единство, взаимопорождение.
Вто же время радикальное противоречие с важнейшим принципом классическойфизической картиной мира – принципом центральных сил – вынуждалопризнавать активную роль среды, окружающей проводники или магниты, в том числеи физического «вакуума». Таким образом, становилось необходимым существенноизменить представление в физической картине мира, включив в неё принципиальнуюроль промежуточной среды.
Эрстедпо существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход отмеханической картины мира к новой, электромагнитной.
В1831 году М. Фарадей установил, что в момент изменения величины тока водном контуре в расположенном рядом контуре на короткое время возникаетэлектрический ток. В момент движения магнита около катушки в ней тожена короткое время возникает электрический ток. Принципиально новым было здесьне только то, что процесс каким – то образом передавался через физическийвакуум, которому приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым посравнению с картиной мира классической физики было и то, что представления опостоянном воздействии одного тела на другое (как это было в случае тяготенияили взаимодействия электрически заряженных тел) замещались представлениямиимпульсов или волн в момент изменения состояния одного из тел.
Электромагнитнаяконцепция, которой захотели теперь заменить прежнюю, заключалась, прежде всего,в полнейшем отказе от всех образных представлений, от тех «механическихмоделей» без которых когда-то не существовало настоящей физики.
Ø Эйнштейн и рождениерелятивистской физической картины мира.
Там,где многие физики, пользовавшиеся теоретическими представлениями об электронах,взаимодействующих с электромагнитным полем, не видели проблемы. А. Эйнштейнвидел принципиальную методологическую трудность.
ТеорияМаксвелла была логически и методологически неполна по меньшей мере в двухаспектах:
ü во-первых, она не совмещалась сфундаментальным принципом классической физики – принципом относительности, еёуравнения не были инвариантными[4]относительно преобразований Галилея;
ü во – вторых, как выяснилось,полевая картина мира (или, как её обычно называют, электромагнитная картинамира) оказалось недостаточным в качестве концептуальной основы нового этапаразвития физики, ибо не позволяла с единой точки зрения объединить всерассматриваемые в теории процессы.
Такимобразом, вопреки широко распространённой точки зрения есть основанияутверждать, что надежда построить соответствующий раздел физики на основеэлектромагнитной картины мира не была осуществлена, хотя представления о такойкартине мира активно обсуждались.
Революцияв физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новойрелятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательномразвитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалосьтребованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, атакже неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняясогласованность теоретических представлений электродинамики в острой формепоявилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можнос уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физическойкартины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике.
Одиниз важных парадоксов состоит в следующем. Из очень общих представлений освойствах пространства и времени, казавшихся очевидными в рамках механическойкартины мира, непосредственно вытекали формулы преобразования координат отодной системы к другой, движущейся относительно первой (преобразования Галилея,непосредственно связанные с его принципом относительности).
Каквыяснилось, уравнение Максвелла не были инвариантными относительнопреобразований Галилея, то есть к электромагнитным процессам галилеевскийпринцип относительности оказался не применим. Из этого следовал вывод, что вэксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движениеобъекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретическихследствий с экспериментальными данными обескураживал физиков: в одних опытах(например, в явлении абберации, то есть кажущиеся смещения наблюдаемых втелескоп звёзд из – за движения Земли) эфир следовала считать абсолютнонеподвижным; в других (например, в опытах по изменению скорости света вдвижущейся воде) – результат был таков, как если бы эфир частично увлекалсядвижением воды.
Вформулировке А. Эйнштейна принцип относительности приобрёл более богатоефизическое содержание: «Законы, по которым изменяются состояния физическихсистем, не зависят от того какой из двух координатных систем движущихсяравномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменениясостояния…».
А.Эйнштейн в первой публикации по основам специальной теории относительности онвводит понятие физического события в качестве фундаментального элементановой картины мира, замещающего образ материальной точки.
Вовсех последующих работах Эйнштейн будет пользоваться идеализацией точечногопространственного – временного физического события как элементарногообъекта теории, представляющего в теоретических моделях физическую реальность.
Физическаякартина мира Галилея – Ньютона, в которой мир отображён как множествоматериальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается вспециальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленноймножеством точечных пространственно – временных материальных событий. Глубокоеединство материи движения, движения, пространство, времени получило здеськонцентрированное выражение: на место образов вещей ставились образыматериальных процессов.
Специальнаятеория относительности предполагает существование материальных полей иматериальных частиц, но изображает в теоретических моделях не частицы и полянепосредственно, а отношение между происходящими с ними событиями. Всвязи с этим можно сказать, что смысл теории относительности, отражённый в еёнаименовании, состоит не в том, что некоторые физические величины меняютчисленное значение при переходе к другой системе отсчёта (такие величины были вклассической механики), а скорее в том, что эта теория отражаетзакономерности отношений между событиями.
Переходк новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключенияиз теории фиктивных образов, в первую очередь понятие эфира с механическимисвойствами.
Образэфира, понимавшегося в соответствии с представлениями механической картинымира, был замещён образом полевых процессов, выраженным с помощьюидеализационных событий. По убеждению А. Эйнштейна, и специальная, и общаятеория относительности основывается на полевых представлениях (поле и есть«эфир» в новом понимании).
Заключение.
Вопросо неизбежной ограниченности естественно научных теорий специальнорассматривался ученым физиком В. С. Барашенковым. Он убедительно доказывает,что возможность построения относительно «законченных теорий» (типамеханики Ньютона, термодинамики, электродинамики Максвелла, квантовой механики,теории гравитационных полей Эйнштейна и др.), достаточно полно, описывающихразличные формы движения материи, не означает возможности в одной или несколькихтаких теориях полностью «перекрыть» весь мир, исчерпать всекачественное многообразие законов природы. Каждая такая теория не учитываетмногие параметры, второстепенные в данном приближении, но становящиеся важнымипри дальнейшем углублении в суть рассматриваемых явлений. Это и привод кнеизбежной ограниченности сферы применения теорий. Возможность«законченных теорий» означало бы возможность конца науки, дальшекоторого нечего было бы познавать. И, наоборот, непреодолимая ограниченностькаждой отдельной теории предполагает бесконечность всего научного познания.Известные науки, обобщающие теории составляют важные этапы её развития. Все ониоснованы на конкретных принципах, обобщающих определенный круг фактов, идопускают возможность и необходимость своего дальнейшего развития по путисоздания все более общих и глубоких теорий, учитывающих новые, неизвестныеранее факты. Таков закон познания, обусловленный законами природы.
Введение.
Преждевсего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различныекритерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время,когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далеекратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретическихданных о структуре микрочастиц.
V.Проблема Элементарного.
ВV в. до н. э. Анаксагор, по – видимому, первым высказалмысль о бесконечной делимости материи. Он представлял мир как совокупностьбесконечного числа частиц – «гомеомерий» (подобочастных), каждая из которых всвою очередь состоит из неисчерпаемо огромного количества более мелких«гомеометрий» и т. д. без конца. При этом каждая из этих частиц содержит в себесвойства Вселенной, она «бесконечно велика» и, подобно целому, заключает в себевсе существующее и сущее не просто бесконечно, но бесконечно бесконечно.
Инаяточка зрения сформулирована, в учении Демокрита, считавшего, что мир состоит избесконечного числа вечных, абсолютно неделимых, изначально простых частиц –атомов вещества и амеров – атомов пространства. Неисчерпаемое богатство свойствокружающего мира в такой картине реализуется благодаря бесконечному количествуразличающихся по своим свойствам атомов (пирамидальных, круглых, гладких,крючковатых и т. д.), которые в силу присущей им твёрдости и непроницаемостиопределяют предел физической делимости вещества. Между атомами может быть лишьпустота.
АтомДемокрита – это не точка, а протяжённое тело, которое нельзя механическиразделить на компоненты, но внутри которого мысленно можно всё же выделить различающиесямежду собой части: верх, низ, правое, левое, середину и т.д. Эти минимальныепространственные части, или амеры, представляют собой «истинное неделимое»,лишённое каких бы то ни было частей, не имеющие ни верха, ни низа, ни правой,ни левой стороны. Из амеров (квантов пространства, если говорить сегодняшнимязыком) состоит пустота, из различного числа амеров слагаются большие и малыеатомы вещества. С современной точки зрения именно амеры («бесчастные»), онипротяжённые атомы следовало бы рассматривать в качестве наипростейших элементовмира. Учение Демокрита было вершиной натурфилософских представлений оматериальном превосходстве мира.
Остраякритическая ситуация возникла на рубеже XIX и XXвеков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана сего электромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А.Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой иэнергией. Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы,вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновенияматерии, как «растворение» её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делалсявывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальномдоказательстве идеальной первоосновы мира.
Ø Какой объект можно назвать«самым элементарным».
Напротяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли вкачестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементамибытия считались некие чувственные «сущности» и «первичные идеи», — во всехслучаях элементарное всегда понималось как то основное, неизменное и первичное,«из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как впоследние они, погибая, превращаются»; при этом элементарное представляет собой«предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уженеделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, тополучаются одного с ними вида части».
Втечение длительного времени за наинизший известный уровень организации материипринимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевымпериодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – тоещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарнаячастица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. Вначале нашего века опыты Э. Резерфорда обнаружили сложную структуру атома, авскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложноевнутренние строение. В начале 30 – х годов были уже 5 частиц, входящих в составатома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон,электрон – позитронная пара, протон и нейтрон. К настоящему времени числотаких частиц достигло уже несколько сот и продолжает быстро возрастать.Оказалось, что свойства этих субъядерных частиц не проще, а, наоборот, сложнее,чем у атома и его ядра. Некоторые частицы – это ультракороткоживущие, почтиэфемерные[5] образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететьлишь расстояние, равное радиусу ядра; другие частицы оказались неожиданно оченьтяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовалисьсовершенно новые понятия: спин[6],гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, чтосубъядерный уровень необычайно бога и разнообразен.
Помимотого, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, ониобладают ещё одним общим свойством. Попытки выделить среди них какие – то«более элементарные» объекты, из которых можно было бы построить все остальные,окончились неудачей. Оказалось, что каждая такая частица состоит сразу из всехдругих. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равнойстепени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря,напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элементаи где каждый элемент связан со всеми остальными.
Правда,недавние исследования внесли важную поправку в эту картину. Выяснилось, чтосреди субъядерных частиц имеются такие, которые следует рассматривать каквозбуждённые состояния других частиц. Так, семейство J/y — частиц представляет собой спектр («лестницу») возбуждённыхсостояний, в котором высшие состояния переходят в низшие, с меньшим массами,путём распадов. Другим аналогичным примером является семейство e — частиц, члены которого также связаны между собой цепочкамипоследовательных распадов.
Еслиисключить возбуждённые частицы – состояния, которые естественно считатьболее сложными объектами, чем соответствующие им основные невозбужденные частицы– состояния, то даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзяговорить о том, что конечные частицы являются более элементарными, чемраспавшаяся, а тем более утверждать, что конечные частицы входили в состависходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (дефект масс) былазначительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы – компоненты нетеряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого, подобно тому,как это имеет место в атоме, в атомном ядре и во всех макроскопическихобъектах.
Кгруппе элементарных относят в настоящее время все частицы, которые нельзярассматривать как возбуждённые состояния других частиц любые возможные распадыкоторых, как реальные, так и виртуальные происходят с дефектом масс.
Втоже время трудно возразить Н. И. Степанову, когда он отмечает, что «многочисленные известные сегодня микрочастицы не потому являютсяэлементарными, что не допускают «деления» ни по какому признаку, что они«наиболее просты» а потому, что в рамках современных представлений все они,несмотря на различие свойств, могут рассматриваться как принадлежащие к одномукачественно – специфическому уровню, определяющему предметную область физикиэлементарных частиц». Специфическою особенностью этого уровня по сравнению совсеми выше стоящими как раз и является большой дефект масс, уничтожающийиндивидуальность объединяющихся частиц.
Влитературе иногда обсуждаются другие критерии установления «степениэлементарности», которые, по мнению их авторов, являются более универсальные.Например, Б. Я. Пахомов предлагает считать более элементарной ту частицу, «скоторой связано меньшее число качественно различных форм движения», и болеесложной ту, «которая включает в себя большее число форм движения». Развивая этуидею, П. М. Румлянский приходит к выводу о том, что «более элементарными приэтом будут частицы нейтрина и фотон, способные вступать только одновзаимодействие … Нейтрино способен вступать в слабое, тогда как фотон– в электромагнитное взаимодействие. Более сложным… считается электрон,способный к вступлению как в слабое так и в электромагнитное. Ещё более сложные… p-мезоны … ». однако подобный подход трубно провестипоследовательно, так как, согласно современным представлениям, при высоких энергияхчастицы должны участвовать во всех типах взаимодействия – электромагнитном,сильном[7]и слабом[8],различие которых при этом становится уже не столь существенным, как при низкихэнергиях; если же не принимать во внимание всей области энергии то пришлось бы,например, признать электрически нейтральную частицу p — мезон более элементарной чем p+ и p- — мезоны, хотя эти частицы являются зарядовымисостояниями одного и того же изомультиплета[9].
Иногдаза критерий относительной элементарности предлагается брать число законовсохранения, которым подчиняется тот или иной объект. Так, по мнению А. А.Бутакова, более сложной элементарной частицей является та, которая подчиняетсябольшему числу законов сохранения, поскольку более высокие формы движениясвязаны с большим количеством таких законов. Поскольку каждый закон сохранениясоответствует вполне определённой симметрии, то предполагаемый критерийозначает, что объект тем элементарнее, чем меньшей симметрией он обладает. Вдействительности дело состоит как раз на оборот: опыт науки показывает, чтопереход к более глубоким материальным структурам до сих пор всегдасопровождался открытием новых типов симметрии, которые «портятся» на уровнеболее высокоорганизованных форм движения и в лучшем случае становятся лишьгрубоприближёнными. В ядерной физике больше симметрий, чем в электродинамике.
Проблемаэлементарности особенно осложнилось после того, как было установлено, чтоэлементарные частицы хотя и не делятся на простейшие в обычном геометрическомсмысле и поэтому действительно должны рассматриваться как элементарные, но в тоже время обладают пространственной протяжённостью и сложной внутреннейструктурой. Элементарность и структурность оказались неразрывно слитыми в одноми том же объекте. Можно сказать, что каждый отдельный фрагмент структурыэлементарной частицы несёт информацию о частице в целом, а информация, скрытаяв локальных деталях структуры, в свою очередь определяется свойствами объектакак целого.
Ø Систематика элементарныхчастиц. Суперэлементарные частицы.
Основнаятрудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицысвязано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много –значительно больше, чем атомов химических элементов. Недавно были открытычастицы в 10 раз более тяжёлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой,как у ядра бора.
Отчаявшисьвыявить какую – либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарныхобъектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа («шнуровки», или«ядерной демократии»), согласно которой каждая элементарная частица состоит извсех других частиц (точнее, структура каждой элементарной частицы определяетсявзаимодействиями всех других частиц). Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворённости из – за слишком большого числа «наипростейших сущностей»последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем – то концепциюДемокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов.
Структурамикрообъектов в теории бутстрапа принимает относительный смысл – что — то вроде особой системы координат, которую можно выбрать различным образом.Определение элементов структуры становится весьма неоднозначным. Так как одну итуже частицу можно различными способами «составить» из других частиц. Болеетого, остаётся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точнуюзамкнутую систему уравнений, определяющую различные свойства, в том числе иструктуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубыемодели бутстрапа, учитывающие взаимосвязь всего двух – трёх сортов частиц, и,хотя в ряде случаев были получены обнадёживающие качественные результаты,попытки их уточнения сразу же наталкиваются на огромные трудности. Идеюбутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы «наипростейшихэлементов».
Значительноболее плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы(мультиплеты), члены каждой из которых могут трактоваться как различныесостояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служитвыявление симметрий в свойствах различных частиц. Такой «групповой подход»,использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, являетсядальнейшим развитием формализма зарядовых (изотопических) мультиплетов.
Большоезначение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившееобъединить изотопические мультиплеты «обычных» и странных частиц в единыеоктеты и декаплеты. Учёт спинов дал возможность построить ещё более сложныесемейства частиц: унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство,состоящее из 35 частиц («35 — плет»), а октет и декаплет барионов – в семействоиз 56 элементов («56 — плет»).
Дальнейшееразработка систематики частиц связана с идеей кварков. Выяснилось, чтоотдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг отдруга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то,что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическимизарядами – кварков. Вот эти – то частицы на современном уровне развитиянауки действительно можно считать «самыми элементарными», потому что из нихмогут быть построены всё остальное взаимодействующие частицы – иногда «простымсложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая ихкак возбуждённые состояния уже построенных частиц, — и в то же время самикварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кваркисущественно отличаются от всех других частиц, среди которых, как уже отмечалось,невозможно выделить какие – либо более элементарные «строительные элементы».Кварки можно рассматривать как следующий, более глубокий, «суперэлементарный»уровень организации материи и с точки зрения величины дефекта масс, то естьплотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других «менее элементарных»объектов.
Спозиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц – это областьобъектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектоммасс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций. Вместе с тем,хотя кварк и является «самой простейшей » известной сегодня частицей, онобладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кваркотличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионнымчислом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром: по своимсвойствам он одновременно и мезон, и барион.
Первоначальносчиталось, что кварк имеет три состояния: два из них различаются лишь величинойэлектрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как страннаячастица. Однако после открытия семейств «шармированных» (очарованных) частиц ктрём состояниям кварка пришлось добавить четвёртое – «шармом». На самом большоммире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новаяудивительная частица – e-мезон. Его масса значительно превосходит массунуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиесякварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикваркобладают ещё одним, пятым по счёту состоянием. Для квантового числа,характеризующего это состояние, ещё нет даже общепринятого названия (чаще всегоего называют «прелестью кварка» или соответствующим английским термином«бьюти»). Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его«ароматом» (некоторые авторы предпочитают говорить о пяти «степенях вкусакварка»).
Нои эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данныхпривёл к выводу, что каждый из пяти «ароматов» («вкусов») кварка имеет три«цвета», то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещё на тринезависимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантовогочисла – «цвета». «Цвет» у кварка изменяется при испускании или поглощении имглюона – кванта промежуточного поля, «склеивающего» кварки и антикварки вмезоны и барионы. (Можно сказать, что глюонное поле – это «поле цвета», егокванты переносят «цвет». Термин «глюоны» происходит от английского слова glue– клей).
Внастоящее время идея суперэлементарных частиц – кварков буквально пронизываютфизику энергий. С их помощью объясняется так много экспериментальных данных,что физику просто невозможно обойти без этих удивительных частиц, так же как,например, химику – без атомов и молекул. По мнению большинства физиков, есликварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себеявлялось бы поразительной загадкой.
Ивместе с тем кварки никогда не наблюдались в «чистом виде», хотя, с тех пор какони были введены в теорию, прошло почти два десятилетия. Все многочисленныепопытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменнозаканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотявероятными, но всё же гипотетическими объектами.
Втом, что кварки и глюоны – это физические объекты, а не просто удобныйфеноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языкекаких – то ещё непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждаюткосвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по «зондированию» протонов внейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частицарассеивается (отскакивает), сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы –мишени кварков.
Сучётом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частицсведётся к трём частицам: кварку, антикварку и связывающему их глюону. Кним следует добавить ещё приблизительно десяток «наипростейших частиц» другихтипов, структура которых пока ещё не проявляется в эксперименте: квантэлектромагнитного поля – фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон исемейство лептонов.
Заключение.
Запрошедшие года положение в теории элементарных частиц существенно изменилось.Были открыты слабые нейтральные токи, приводящие к таким эффектам, какрассеяние мюонного нейтрино на электронах. Открыты, начиная с J/y-мезона, целая группа элементарных частиц со временемжизни, в тысячу раз превышающим время жизни резонансов. Фактически уже сейчаснужно эти частицы включить в таблицу относительно стабильных элементарныхчастиц.
Значительныуспехи в теории элементарных частиц. Единая теория слабых и электромагнитныхвзаимодействий получила солидное экспериментальное подтверждение, хотяпо-прежнему не может считаться с несомненностью достоверной. Кварковая модельстроения адронов получает всё новые и новые экспериментальные подтверждения.После многих лет застоя большой прогресс достигнут в теории сильныхвзаимодействий, которые теперь рассматриваются как межкварковые взаимодействия.
Оченьвероятно, что подлинно элементарными частицами, неделимыми уже дальше, являютсялептоны и кварки. Всё огромное множество адронов построено из кварков. Модельчетырёх цветных кварков и чётырёх лептонов позволяет в общих чертах понятьструктуру материи. Учёные вплотную подошли к решению новой проблемы, проблемыструктуры элементарных частиц.
Прибомбардировке протонами высокой энергии неподвижной мишени обнаруженысверхтяжелые нейтральные мезоны, названные «ипсилонами» с массой порядка 9,4ГэВ. Найдено три модификации этих мезонов с близкими массами. Чтобы включитьипсилоны в рамки кварковой модели, надо предположить, что существуют кваркиболее массивные, чем с-кварк. Для сохранения кварк-лептонной симметриитребуется введение двух новых кварков, соответствующие паре t-лептон, ut-нейтрино. Эти кварки уже получили наименование: топ(вершина по-английски) и боттом (дно).
Итак,с увеличением энергии сталкивающихся частиц обнаруживается рождение новых всёболее и более тяжёлых частиц. Это усложняет и без того непростую картину мираэлементарных частиц. Появляются новые проблемы, хотя множество старых проблемостаётся нерешёнными.
Вероятно,основной нерешённой проблемой следует считать проблему кварков: могут ли онибыть свободными или же пленение их внутри адронов является абсолютным. Еслиже кварки принципиально не могут быть выделены и обнаружены в свободномсостоянии, то как убедиться, что они с несомненностью существуют?
Далееостаётся недоказанным экспериментально существование промежуточных векторныхбозонов W+, W-и W0, стольнеобходимых для уверенности в справедливости единой теории слабых иэлектромагнитных взаимодействий.
Несомненно,что выяснение строения элементарных частиц будет представлять собой столь жезначительный шаг, как и открытие строения атома и ядра.
Список литературы:
1. Барашенков В. С. Существуют ли границы науки: количественная икачественная неисчерпаемость материального мира. – М.: Мысль, 1982. – 208с. –(Философия и естествознание).
2. Большая Советская Энциклопедия Гл. ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советскаяэнциклопедия », 1974г. Т.8, Т.10, Т.17, Т.23, Т.30.
3. Мякишев Г. Я. Элементарные частицы 3-е изд., испр. и доп.- М.:Наука, 1979. – 176с.
4. Пахомов Б. Я. Становление современной физической картины мира. –М.: Мысль, 1985. – 270с. — (Философия и естествознание).