Курганский Государственный Университет (экономический факультет)
Реферат
Тема: Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна
проблема элементарного.
Курган 2001
План.
Введение…………………………………………………………….3-4
I. Метод Галилея……………………………………………………4-5
1.Анализ исторической обстановки и проблемной ситуации в науке. Новые концепции Галилея……………………………..4-5
2.Заслуга Галилея………………………………………………5
II.Классическая механика…………………………………………5-7
III.Максвелл: развитие и кризис механической картины мира...7-13 1.Молекулярно – кинетическая концепция…………………...7-10
2.Теориия электромагнитного поля и кризис механической картины мира …………………………………10-11
3.Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира……………………………………………………………..11-13
Заключение………………………………………………………….13
Введение…………………………………………………………….14
V.Проблема Элементарного…………………………………….14-21
1.Какой объект можно назвать «самым элементарным»…..15-17
2. Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы…………………………………17-20
Заключение………………………………………………………..20-21
Список литературы………………………………………………….22
Введение.
Научную картину мира следует понимать как широкую панораму современных знаний о природе, включающую в себя наиболее важные факты, гипотезы, теории. Функциональное значение такого рода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания, связи различных разделов естествознания. При этом есть расхождения понимания того, для чего необходим синтез:
- Одни считают, что он нужен в плане методологическом, обеспечивая интеграцию научного знания.
- Другие – что он нужен скорее в плане психологическом, помогая преодолевать узкую специализацию современных исследований.
Это различие в понимании функций картины мира в свою очередь ведет к расхождению в самом подходе к её анализу:
- В первом случае для понимания смысла и роли картины мира в научном познании необходимо рассматривать методологию современной науки, структуру научного знания;
- Во втором – исследовать специальную обусловленность научного познания, социально – психологические и социокультурные факторы деятельности учёных.
В противовес точке зрения авторов, выдвигающих на первый план идею синтеза, объединения разнообразных естественнонаучных знаний, ряд исследователей считает, что научная картина мира необходима при построении каждой отдельной теории как составная часть её фундамента.
(В.С. Степин)
В.С. Степин считает, что научная (например, физическая) картина является необходимым компонентом каждой отдельной теории. Будучи по происхождению результатом синтеза научных знаний, частнонаучные картины мира дают, по его мнению, видение основных систематических характеристик предмета исследования соответствующей науки. «Такое видение. Изменяясь по мере исторического развития научных знаний, выражается по средствам представлений:
1. Об элементарных объектах, из которых предполагаются построены все другие объекты, исследуемые в соответствующей науке
2. О типологии исследуемых объектов
3. О характеристике взаимодействия объектов (об особенности причинности и закономерности)
4. О пространстве – временных характеристик изучаемой реальности».
Учитывая указанные разногласия, В.А. Амбарцумян и В.В. Каротинский предполагают различные трактовки физической реальности в широком и узком смысле этого слова.
Физическая картина мира в узком смысле этого слова – это система фундаментальных конструктов, характеризующих основные свойства физической реальности (пространства, время, вещество, поле, вакуум) связи между которыми представлены физическими принципами.
Физическая картина мира в широком смысле этого слова – это наиболее общие конкретно-исторические представления о физическом мире, который с точки зрения стиля научного мышления конкретной эпохи рассматривается как наиболее важные и существенные.
II
.Метод Галилея.
С именем Галилея связано начало принципиально важного этапа развития физического знания – восхождение на уровень познания.
- Анализ исторической обстановки и проблемной ситуации в науке. Новые концепции Галилея
.
Принятые в научном сообществе того времени методологические принципы требовали, чтобы теоретические суждения непосредственно подтверждались чувственным данным.
Исторически сложившаяся проблемная ситуация не позволяла Галилею принять порцию эмпиризма[1]
, согласно которой все научные утверждения возникают только в результате обобщения непосредственно наблюдаемых фактов
. Он стремился выработать и защитить существенно иное отношение исследователей к эмпирическим данным.
Требования логической (и математической) самосогласованности, системной целостности всех утверждений физической науки опирается у Галилея на важную мировоззренческую идею о целостности Вселенной, единообразии «способа действия самой природы».
Целостность, совершенство, самосогласованность научного знания (которой не смогли добиться ни Аристотель, ни тем более его средневековые последователи) основываются на гармонии мироздания.
В методологическом плане это означает, что наука должна находить исходные, базисные формы этого порядка, обладающие к тому же высшей универсальностью и потому позволяющие на их основе объяснить всё происходящие в мире. Так, в физике Нового времени входила идея, что общий принцип построения целостной, объясняющей все явления научной теории должен исходить из общей физической картины мира.
По Галилею, закономерности мира отражаются именно в количественных отношениях между наблюдаемыми явлениями, а не в той внешней видимости отдельно взятых фактов, которые носит видимости обычно обманчивый характер. Математика, отражающая универсальные формы природных законов, выступает для Галилея важнейшим средством проверки взаимной согласованности фактических данных и теоретических построений.
Согласно Галилею, логические конструкции из идеализированных объектов можно рассматривать как научно достоверные при следующих условия:
- Вся система выдерживает проверку на внутреннюю логическую согласованность, целостность;
- Идеализации и теоретические модели, отражая общие законы данной области явлений, позволяют с единых позиций (единообразным способом) объяснять всю совокупность фактов, в том числе и кажущихся эффектов, предсказать ещё не наблюдавшиеся события;
- Идеализация и теоретические модели отнюдь не являются вспомогательными или фиктивными умственными построениями, они отражают общий план мироздания, общие законы данной области явлений, картину мира.
- Заслуга Галилея.
Он не только обратился к научным эксперимента, не только ввёл метод предельных идеализаций, не только использовал математику, но прежде всего предвосхитил принципы методом построения физических теорий. Эта методология включает в себя использование экспериментов (как реальных, так и мысленных), создание фундаментальных идеализаций, построение с их помощью конструктивных теоретических моделей реальности с применением математического аппарата и самое главное, без чего теряет смысл применение всех указанных методологических средств, - «разработку и конструктивное использование общих представлений о принципах строения мироздания, научной картины мира на теоретическом уровне
».
III
. Классическая Механика.
В истории механики за работами Галилея (который также имел предшественников в накоплении эмпирических фактов и обобщений и в разработке теоретических предпосылок механики) последователи многочисленные работы целой плеяды выдающихся учёных. Их коллективными усилиями шаг за шагом не только строилось всё здание классической механики, но и совершенствовался её концептуальный фундамент, система исходных теоретических идеализаций. Создание фундамента идеализаций явилось своеобразной, характерной для теоретического уровня познания формой логического анализа
материальной действительности. Продуктами анализа стали идеализации элементарного объекта, элементарного процесса, пространственно – временных отношений, формы детерминизма[2]
, отразившие конкретное содержание картины мира.
Хотя чувственные восприятия небесных тел, движения которых оказалось в центре внимания Галилея и Ньютона, с самого начала подсказывали образ точечного объекта, теоретическая идеализация материальной точки родилась не сразу. И Галилей, и Ньютон широко использовали понятие тела как движущегося объекта. Лишь позже, когда выяснилось, что поле тяготения сферически симметрического тела выглядит в точности так, как если бы вся масса этого тела была сосредоточена в его геометрическом центре, в одной точке, идея теоретического замещения материальных тел идеализированными образами материальных точек могла рассматриваться как логически согласованная со всем содержанием теории.
Идеализация материальной точки широко использовалась Л. Эйлером в его программе построения механики. В основе этой программы, которую Л. Эйлеру во многом удалось реализовать, лежало принципиальное убеждение, что сложные случаи механического движения могут быть теоретически представлены конструктивными моделями, построенными из образов взаимодействия и перемещающихся материальных точек. Логически исходным пунктом системы механики, по Л. Эйлеру, выступают изложенные в его трактате 1736 года теория движения свободной материальной точки и динамика точки при наличии связей.
Кроме идеализации основного элементарного объекта в логической структуре теории принципиальное значение имеет идеализация основного элементарного процесса (в данном случае – формы движения). Галилей вплотную приблизился к выработке такой идеализации в представлениях о равномерном движении (по окружности), которое, раз начавшись, продолжается бесконечно, если этому не препятствует внешние действия.
Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировавший два исходных понятия: «…однажды пришедшее в движение тело продолжает двигаться, пока это движение не задержится каким-либо встречным телом.», при этом «каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой…». Соединённые вмести эти два положения у И. Ньютона приняли форму первого закона механики.
Для построения теоретических моделей механического движения существенно система пространственно – временного описания. Введение системы координат и разработка математики переменных величин вооружили учёных универсальным средством теоретического изображения механического движения, сочетающего в себе высокую степень абстрактности (изображение движения тела математической функцией) с высокой степенью наглядности (графики функций в заданной системе координат мог непосредственно изображать траекторию перемещения тела в пространстве с течением времени).
Теоретическое знание может выполнить свои основные функции лишь в том случае, если в нём отражена конкретная форма детерминации исследуемых явлений, прежде всего фундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия. И. Ньютон ввёл понятие силы
как причины изменения состояния движения по величине и по направлению (или одновременно по величине и по направлению). В механике Ньютона источниками и точкой приложения сил являются материальные точки.
Центральное место в системе трёх законов механики занимает второй закон Ньютона
– основной закон движения.
Он связан с изменением состояния материальной точки с величиной и направлением действующей на него сил: ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально силе действующей на это тело и обратно пропорционально массе этого тела. Данный закон позволяет объяснить и прогнозировать изменение механического движения тела в зависимости от величины и направления силы и от предшествующего состояния движения.
Выдающейся заслугой Ньютона явилось установление конкретного закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия, - закон Всемирного тяготения.
Несмотря на ограниченность механической картины мира по её содержанию, основные особенности методологии физического познания, проявившиеся в ходе создания и развития классической механики, воспроизводятся и в процессе построения последующих физических теорий, как бы ни отличалось их конкретное содержание и даже содержание фундаментального представление картины мира от концептуального содержания классической механики. В этом отношении классическая механика до сегодняшнего дня остаётся и классическим примером построения естественно – научной теории.
IV
. Максвелл: развитие и кризис механической картины мира.
- Молекулярно-кинетическая концепция.
Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже в работах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям, непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости и твёрдых тел.
Основные этапы развития знаний о свойстве газов:
В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46 см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор для измерения давления.
Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутом сосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная (для данной массы газа при постоянно температуре).
В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на 1
/ 273
первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.
Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газа меняется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).
В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая область своеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммы частных эмпирических законов к общей теории поведения газа,
необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с их центральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретического объяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.
Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно, Б. Клайперон, в 1834 году объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре
. Найденные ранее эмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когда одновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватных представлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можно было бы объяснить законы его поведения.
Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию - во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним и развили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии[3]
, важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.
Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные для понимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о так называемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиями термодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, что с течением времени разность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамические процессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.
Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могут претендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.
Основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общий метод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скорости всех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётах условно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.
Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в области молекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменить невыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией 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 статистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждой отдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно.
Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получить результаты, согласующиеся со всеми экспериментами.
На основе статистической трактовки природы второго закона термодинамики Л. Больцман разработал последовательное разрешение парадокса «тепловой смерти» Вселенной. Современной точки зрения оно уже не является достаточно полным и достаточно 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 степени отклонилась от равновесного состояния полного молекулярного беспорядка к состояниям неравновесным и более упорядоченным, то есть к состояниям с меньшей энтропией, 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, имела принципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях, твёрдых телах.
- Теория электромагнитного поля и кризис механической картины мира.
Дж. К. Максвелл не только внёс вклад в развитие молекулярно – кинетической концепции, базировавшейся на представлениях механической картины мира, но и создал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение этой картины.
Механическая картина мира опиралась на представления, что силы действуют по направлению прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), то есть являются центральными силами. Другими словами в картине мира классической механики все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию частиц, это было, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновской системы абстрагироваться от роли промежуточной среды в передачи взаимодействия.
С открытием Х. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация противоречившая представлениям механической картины мира: на определённом расстоянии от проводника с током на 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 круговой электрический ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самым была выявлена не только удивительная симметрия электрического и магнитного явления (прямолинейный проводник с током создаёт магнитное поле, направленное по кругу вокруг проводника; круговой ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга), но и их глубокое внутреннее единство, взаимопорождение.
В то же время радикальное противоречие с важнейшим принципом классической физической картиной мира – принципом центральных сил
– вынуждало признавать активную роль среды, окружающей проводники или магниты, в том числе и физического «вакуума». Таким образом, становилось необходимым существенно изменить представление в физической картине мира, включив в неё принципиальную роль промежуточной среды.
Эрстед по существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход от механической картины мира к новой, электромагнитной.
В 1831 году М. Фарадей установил, что в момент изменения
величины тока в одном контуре в расположенном рядом контуре на короткое время возникает электрический ток. В момент движения
магнита около катушки в ней тоже на короткое время возникает электрический ток. Принципиально новым было здесь не только то, что процесс каким – то образом передавался через физический вакуум, которому приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым по сравнению с картиной мира классической физики было и то, что представления о постоянном воздействии одного тела на другое (как это было в случае тяготения или взаимодействия электрически заряженных тел) замещались представлениями импульсов или волн в момент изменения состояния одного из тел.
Электромагнитная концепция, которой захотели теперь заменить прежнюю, заключалась, прежде всего, в полнейшем отказе от всех образных представлений, от тех «механических моделей» без которых когда-то не существовало настоящей физики.
- Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира.
Там, где многие физики, пользовавшиеся теоретическими представлениями об электронах, взаимодействующих с электромагнитным полем, не видели проблемы. А. Эйнштейн видел принципиальную методологическую трудность.
Теория Максвелла была логически и методологически неполна по меньшей мере в двух аспектах:
- во-первых, она не совмещалась с фундаментальным принципом классической физики – принципом относительности, её уравнения не были инвариантными[4]
относительно преобразований Галилея;
- во – вторых, как выяснилось, полевая картина мира (или, как её обычно называют, электромагнитная картина мира) оказалось недостаточным в качестве концептуальной основы нового этапа развития физики, ибо не позволяла с единой точки зрения объединить все рассматриваемые в теории процессы.
Таким образом, вопреки широко распространённой точки зрения есть основания утверждать, что надежда построить соответствующий раздел физики на основе электромагнитной картины мира не была осуществлена, хотя представления о такой картине мира активно обсуждались.
Революция в физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новой релятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательном развитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалось требованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, а также неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняя согласованность теоретических представлений электродинамики в острой форме появилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можно с уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физической картины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике.
Один из важных парадоксов состоит в следующем. Из очень общих представлений о свойствах пространства и времени, казавшихся очевидными в рамках механической картины мира, непосредственно вытекали формулы преобразования координат от одной системы к другой, движущейся относительно первой (преобразования Галилея, непосредственно связанные с его принципом относительности).
Как выяснилось, уравнение Максвелла не были инвариантными относительно преобразований Галилея, то есть к электромагнитным процессам галилеевский принцип относительности оказался не применим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движение объекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретических следствий с экспериментальными данными обескураживал физиков: в одних опытах (например, в явлении абберации, то есть кажущиеся смещения наблюдаемых в телескоп звёзд из – за движения Земли) эфир следовала считать абсолютно неподвижным; в других (например, в опытах по изменению скорости света в движущей
В формулировке А. Эйнштейна принцип относительности приобрёл более богатое физическое содержание: «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того какой из двух координатных систем движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменения состояния…».
А. Эйнштейн в первой публикации по основам специальной теории относительности он вводит понятие физического события
в качестве фундаментального элемента новой картины мира, замещающего образ материальной точки.
Во всех последующих работах Эйнштейн будет пользоваться идеализацией точечного пространственного – временного физического события
как элементарного объекта теории, представляющего в теоретических моделях физическую реальность.
Физическая картина мира Галилея – Ньютона, в которой мир отображён как множество материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается в специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленной множеством точечных пространственно – временных материальных событий. Глубокое единство материи движения, движения, пространство, времени получило здесь концентрированное выражение: на место образов вещей ставились образы материальных процессов.
Специальная теория относительности предполагает существование материальных полей и материальных частиц, но изображает в теоретических моделях не частицы и поля непосредственно, а отношение между происходящими с ними событиями
. В связи с этим можно сказать, что смысл теории относительности, отражённый в её наименовании, состоит не в том, что некоторые физические величины меняют численное значение при переходе к другой системе отсчёта (такие величины были в классической механики), а скорее в том, что эта теория отражает закономерности отношений между событиями
.
Переход к новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключения из теории фиктивных образов, в первую очередь понятие эфира с механическими свойствами.
Образ эфира, понимавшегося в соответствии с представлениями механической картины мира, был замещён образом полевых процессов, выраженным с помощью идеализационных событий. По убеждению А. Эйнштейна, и специальная, и общая теория относительности основывается на полевых представлениях (поле и есть «эфир» в новом понимании).
Заключение.
Вопрос о неизбежной ограниченности естественно научных теорий специально рассматривался ученым физиком В. С. Барашенковым. Он убедительно доказывает, что возможность построения относительно "законченных теорий" (типа механики Ньютона, термодинамики, электродинамики Максвелла, квантовой механики, теории гравитационных полей Эйнштейна и др.), достаточно полно, описывающих различные формы движения материи, не означает возможности в одной или нескольких таких теориях полностью "перекрыть" весь мир, исчерпать все качественное многообразие законов природы. Каждая такая теория не учитывает многие параметры, второстепенные в данном приближении, но становящиеся важными при дальнейшем углублении в суть рассматриваемых явлений. Это и привод к неизбежной ограниченности сферы применения теорий. Возможность "законченных теорий" означало бы возможность конца науки, дальше которого нечего было бы познавать. И, наоборот, непреодолимая ограниченность каждой отдельной теории предполагает бесконечность всего научного познания. Известные науки, обобщающие теории составляют важные этапы её развития. Все они основаны на конкретных принципах, обобщающих определенный круг фактов, и допускают возможность и необходимость своего дальнейшего развития по пути создания все более общих и глубоких теорий, учитывающих новые, неизвестные ранее факты. Таков закон познания, обусловленный законами природы.
Введение.
Прежде всего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различные критерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время, когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далее кратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретических данных о структуре микрочастиц.
V.Проблема Элементарного.
В V в. до н. э. Анаксагор, по – видимому, первым высказал мысль о бесконечной делимости материи. Он представлял мир как совокупность бесконечного числа частиц – «гомеомерий» (подобочастных), каждая из которых в свою очередь состоит из неисчерпаемо огромного количества более мелких «гомеометрий» и т. д. без конца. При этом каждая из этих частиц содержит в себе свойства Вселенной, она «бесконечно велика» и, подобно целому, заключает в себе все существующее и сущее не просто бесконечно, но бесконечно бесконечно.
Иная точка зрения сформулирована, в учении Демокрита, считавшего, что мир состоит из бесконечного числа вечных, абсолютно неделимых, изначально простых частиц – атомов вещества и амеров – атомов пространства. Неисчерпаемое богатство свойств окружающего мира в такой картине реализуется благодаря бесконечному количеству различающихся по своим свойствам атомов (пирамидальных, круглых, гладких, крючковатых и т. д.), которые в силу присущей им твёрдости и непроницаемости определяют предел физической делимости вещества. Между атомами может быть лишь пустота.
Атом Демокрита – это не точка, а протяжённое тело, которое нельзя механически разделить на компоненты, но внутри которого мысленно можно всё же выделить различающиеся между собой части: верх, низ, правое, левое, середину и т.д. Эти минимальные пространственные 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 сегодняшним языком) состоит пустота, из различного числа амеров слагаются большие и малые атомы вещества. С современной точки зрения именно амеры («бесчастные»), они протяжённые атомы следовало бы рассматривать в качестве наипростейших элементов мира. Учение Демокрита было вершиной натурфилософских представлений о материальном превосходстве мира.
Острая критическая ситуация возникла на рубеже XIX и XX веков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана с его электромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой и энергией. Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы, вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновения материи, как «растворение» её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делался вывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальном доказательстве идеальной первоосновы мира.
- Какой объект можно назвать «самым элементарным».
На протяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли в качестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементами бытия считались некие чувственные «сущности» и «первичные идеи», - во всех случаях элементарное всегда понималось как то основное, неизменное и первичное, «из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как в последние они, погибая, превращаются»; при этом элементарное представляет собой «предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уже неделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, то получаются одного с ними вида части».
В течение длительного времени за наинизший известный уровень организации материи принимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевым периодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – то ещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарная частица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. В начале нашего века опыты Э. Резерфорда обнаружили сложную структуру атома, а вскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложное внутренние строение. В начале 30 – х годов были уже 5 частиц, входящих в состав атома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон, электрон – позитронная пара, протон и нейтрон
. К настоящему времени число таких 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, почти эфемерные[5]
образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететь лишь расстояние, равное радиусу ядра; другие частицы оказались неожиданно очень тяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовались совершенно новые понятия: спин[6]
, гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, что субъядерный уровень необычайно бога и разнообразен.
Помимо того, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, они обладают 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 всех других. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равной степени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря, напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элемента и где каждый элемент связан со всеми остальными.
Правда, недавние исследования внесли важную поправку в эту картину. Выяснилось, что среди субъядерных частиц имеются такие, которые следует рассматривать как возбуждённые состояния других частиц. Так, семейство J/y - частиц представляет собой спектр («лестницу») возбуждённых состояний, 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 цепочками последовательных распадов.
Если исключить возбуждённые частицы – состояния, которые естественно считать более сложными объектами, чем соответствующие им основные невозбужденные частицы – состояния
, то даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить о том, что конечные частицы являются более элементарными, чем распавшаяся, а тем более утверждать, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (дефект масс) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы – компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого, подобно тому, как это имеет место в атоме, в атомном ядре и во всех макроскопических объектах.
К группе элементарных относят в настоящее время все частицы, которые нельзя рассматривать как возбуждённые состояния других частиц любые возможные распады которых, как реальные, так и виртуальные происходят с дефектом масс.
В тоже время трудно возразить Н. И. Степанову, когда он отмечает, что «многочисленные известные сегодня микрочастицы не потому являются элементарными, 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 одному качественно – специфическому уровню, определяющему предметную область физики элементарных частиц». Специфическою особенностью этого уровня по сравнению со всеми выше стоящими как раз и является большой дефект масс, уничтожающий индивидуальность объединяющихся частиц.
В литературе иногда обсуждаются другие критерии установления «степени элементарности», которые, по мнению их авторов, являются более универсальные. Например, Б. Я. Пахомов предлагает считать более элементарной ту частицу, «с которой связано меньшее число качественно различных форм движения», и более сложной ту, «которая включает в себя большее число форм движения». Развивая эту идею, П. М. Румлянский приходит к выводу о том, что «более элементарными при этом будут частицы нейтрина и фотон
, способные вступать только одно взаимодействие … 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 провести последовательно, так как, согласно современным представлениям, при высоких энергиях частицы должны участвовать во всех типах взаимодействия – электромагнитном, сильном[7]
и слабом[8]
, различие которых при этом становится уже не столь существенным, как при низких энергиях; 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 зарядовыми состояниями одного и того же изомультиплета[9]
.
Иногда за критерий относительной элементарности предлагается брать число законов сохранения, которым подчиняется тот или иной объект. Так, по мнению А. А. Бутакова, более сложной элементарной частицей является та, которая подчиняется большему числу законов сохранения, поскольку более высокие формы движения связаны с большим количеством таких законов. Поскольку каждый закон сохранения соответствует вполне определённой симметрии, то предполагаемый критерий означает, что объект тем элементарнее, чем меньшей симметрией он обладает. В действительности дело состоит как раз на оборот: опыт науки показывает, что переход к более глубоким материальным структурам до сих пор всегда сопровождался открытием новых типов симметрии, которые «портятся» на уровне более высокоорганизованных форм движения и в лучшем случае становятся лишь грубоприближёнными. В ядерной физике больше симметрий, чем в электродинамике.
Проблема элементарности особенно осложнилось после того, как было установлено, что элементарные частицы хотя и не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле и поэтому действительно должны рассматриваться как элементарные, но в то же время обладают пространственной протяжённостью и сложной внутренней структурой. Элементарность и структурность оказались неразрывно слитыми в одном и том же объекте. Можно сказать, что каждый отдельный фрагмент структуры элементарной частицы несёт информацию о частице в целом, а информация, скрытая в локальных деталях структуры, в свою очередь определяется свойствами объекта как целого.
- Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы.
Основная трудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицы связано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много – значительно больше, чем атомов химических элементов. Недавно были открыты частицы в 10 раз более тяжёлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой, как у ядра бора.
Отчаявшись выявить какую – либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарных объектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа
(«шнуровки», или «ядерной демократии»), согласно которой каждая элементарная частица состоит из всех других частиц (точнее, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц). Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворённости из – за слишком большого числа «наипростейших сущностей» последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем – то концепцию Демокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов.
Структура микрообъектов 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 и туже частицу можно различными способами «составить» из других частиц. Более того, остаётся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точную замкнутую систему уравнений, определяющую различные свойства, в том числе и структуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубые модели 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. Идею бутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы «наипростейших элементов».
Значительно более плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы (мультиплеты), члены каждой из которых могут трактоваться как различные состояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служит выявление симметрий в свойствах различных частиц. Такой «групповой подход», использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, является дальнейшим развитием формализма зарядовых (изотопических) мультиплетов.
Большое значение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившее объединить изотопические мультиплеты «обычных» и странных частиц в единые октеты и декаплеты. Учёт спинов дал возможность построить ещё более сложные семейства частиц: унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство, состоящее из 35 частиц («35 - плет»), а октет и декаплет барионов – в семейство из 56 элементов («56 - плет»).
Дальнейшее разработка систематики частиц связана с идеей кварков
. Выяснилось, что отдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то, что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическими зарядами – кварков
. Вот эти – то частицы на современном уровне развития науки действительно можно считать «самыми элементарными», потому что из них могут быть построены всё остальное взаимодействующие частицы – иногда «простым сложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая их как возбуждённые состояния уже построенных частиц, - и в то же время сами кварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кварки существенно 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 есть плотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других «менее элементарных» объектов.
С позиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц – это область объектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектом масс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций
. Вместе с тем, хотя кварк и является «самой простейшей » известной сегодня частицей, он обладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кварк отличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионным числом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром: по своим свойствам он одновременно и мезон, и барион.
Первоначально считалось, что кварк имеет три состояния: два из них различаются лишь величиной электрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как странная частица. Однако после открытия семейств «шармированных» (очарованных) частиц к трём состояниям кварка пришлось добавить четвёртое – «шармом». На самом большом мире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новая удивительная частица - e-мезон. Его масса значительно превосходит массу нуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиеся кварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикварк обладают ещё одним, пятым по счёту состоянием. Для квантового числа, характеризующего это состояние, ещё нет даже общепринятого названия (чаще всего его называют «прелестью кварка» или соответствующим английским термином «бьюти»). Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его «ароматом» (некоторые авторы предпочитают говорить о пяти «степенях вкуса кварка»).
Но и эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данных привёл к выводу, что каждый из пяти «ароматов» («вкусов») кварка имеет три «цвета», то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещё на три независимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантового числа – «цвета». «Цвет» у кварка изменяется при испускании или поглощении им глюона – кванта промежуточного поля, «склеивающего» кварки и антикварки в мезоны и барионы. (Можно сказать, что глюонное поле – это «поле цвета», его кванты переносят «цвет». Термин «глюоны» происходит от английского слова glue – клей).
В настоящее время идея суперэлементарных частиц – кварков буквально пронизывают физику 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, если кварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себе являлось бы поразительной загадкой.
И вместе с тем кварки никогда не наблюдались в «чистом виде», хотя, с тех пор как они были введены в теорию, прошло почти два десятилетия. Все многочисленные попытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменно заканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотя вероятными, но всё же гипотетическими объектами.
В том, что кварки и глюоны – это физические объекты, а не просто удобный феноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языке каких – то ещё непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждают косвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по «зондированию» протонов в нейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частица рассеивается (отскакивает), сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы – мишени кварков.
С учётом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частиц сведётся к трём частицам: кварку, антикварку и связывающему их глюону
. К ним следует добавить ещё приблизительно десяток «наипростейших частиц» других типов, структура которых пока ещё не проявляется в эксперименте: квант электромагнитного поля – фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон и семейство лептонов.
Заключение.
За прошедшие года положение в теории элементарных частиц существенно изменилось. Были открыты слабые нейтральные токи, приводящие к таким эффектам, как рассеяние мюонного нейтрино на электронах. Открыты, начиная с J
/y-мезона, целая группа элементарных частиц со временем жизни, в тысячу раз превышающим время жизни резонансов. Фактически уже сейчас нужно эти частицы включить в таблицу относительно стабильных элементарных частиц.
Значительны успехи в теории элементарных частиц. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий получила солидное экспериментальное подтверждение, хотя по-прежнему не может считаться с несомненностью достоверной. Кварковая модель строения адронов получает всё новые и новые экспериментальные подтверждения. После многих лет застоя большой прогресс достигнут в теории сильных взаимодействий, которые теперь рассматриваются как межкварковые взаимодействия.
Очень вероятно, что подлинно элементарными частицами, неделимыми уже дальше, являются лептоны и кварки. Всё огромное множество адронов построено из кварков. Модель четырёх цветных кварков и чётырёх лептонов позволяет в общих чертах понять структуру материи. Учёные вплотную подошли к решению новой проблемы, проблемы структуры элементарных частиц.
При бомбардировке протонами высокой энергии неподвижной мишени обнаружены сверхтяжелые нейтральные мезоны, названные «ипсилонами» с массой порядка 9,4 ГэВ. Найдено три модификации этих мезонов с близкими массами. Чтобы включить ипсилоны в рамки кварковой модели, надо предположить, что существуют кварки более массивные, чем с-кварк
. Для сохранения кварк-лептонной симметрии требуется 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 всё более и более тяжёлых частиц. Это усложняет и без того непростую картину мира элементарных частиц. Появляются новые проблемы, хотя множество старых проблем остаётся нерешёнными.
Вероятно, основной нерешённой проблемой следует считать проблему кварков: могут ли они быть свободными или же пленение их внутри адронов является абсолютным
. Если же кварки принципиально не могут быть выделены и обнаружены в свободном состоянии, то как убедиться, что они с несомненностью существуют?
Далее остаётся недоказанным экспериментально существование промежуточных векторных бозонов W+
, W-
и W0
, столь необходимых для уверенности в справедливости единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий.
Несомненно, что выяснение строения элементарных частиц будет представлять собой столь же значительный шаг, как и открытие строения атома и ядра.
Список литературы:
1. Барашенков В. С.
Существуют ли границы науки: количественная и качественная неисчерпаемость материального мира. – М.: Мысль, 1982. – 208с. – (Философия и естествознание).
2. Большая Советская Энциклопедия
Гл. ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская энциклопедия », 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).
[1]
Направление в теории познания, признающие чувственный опыт источником знания и считающее, что содержание знания может быть представлено либо как описание этого опыта, либо сведено к нему.
[2]
Философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности материального и духовного мира
[3]
Понятие, впервые введённое в термодинамики для определения меры необратимого рассеяния энергии.
[4]
Неизменность, независимость от физических условий.
[5]
Недолговечные, мимолётные, скоропереходящие.
[6]
Свойство элемента частиц, которое позволяет особо строгим образом ориентироваться в пространстве
[7]
Одно из основных фундаментальных (элементарных) взаимодействий природы. Одно из проявлений сильного взаимодействия – ядерные силы, сзывающие нуклоны в атомных ядрах.
[8]
Один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Сильное взаимодействие слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.
[9]
Мультиплет – число возможных ориентацией в пространстве полного спина атома или молекулы