Неклассическая физическая картина мира

Сначала была решена проблема «ультрафиолетовой катастрофы». Первый шаг в этом направлении в 1900 г. сделал Макс Планк, выдвинувший гипотезу о квантовом характере энергии, ее излучении и поглощении. Согласно этой гипотезе, энергия распространяется в виде отдельных порций (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения:

где h — фундаментальная постоянная, имеющая размерность действия (эрге), впоследствии названная планковской.

Используя эту гипотезу, Планк получил выражение для распределения энергии в спектре излучения черного тела, совпадающее с экспериментом.

Следующий шаг в 1905 г. сделал Альберт Эйнштейн, который показал, что свет также не только испускается, но и поглощается в форме квантов энергии. Позже такие квантованные порции электромагнитного излучения стали называть фотонами. Стало ясно, что электромагнитное излучение обладает парадоксальными свойствами: в некоторых опытах оно проявляет свои волновые свойства, в других оно напоминает поток корпускул, фотонов. Вскоре французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что этот дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ нс только свету, но и веществу, а также всем элементарным частицам. Через несколько лет К. Дэвидсон исследовал рассеяние пучка электронов на монокристаллической мишени и показал, что этот процесс идет в точном соответствии с формулой де Бройля, определяющей волновые свойства электронов.

Становилось все более ясно, что физические свойства элементарных частиц — наименьших порций материи явно противоречат классической картине мира. В 1927 г. Вернер Гейзенберг показал, что описание поведения элементарных частиц с помощью классических понятий координат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Соответствующее ограничение получило название соотношений неопределенности Гейзенберга:

где х — координата частицы; p = mV— ее импульс, Е — энергия, t — момент времени.

Смысл этих формул состоит в том, что нельзя одновременно точно определить значения координаты и импульса частицы, а также энергии для данного момента времени.

В классической механике поведение материальной частицы описывается основным законом динамики (второй закон Ньютона). Заметим, что Ныотон сформулировал этот закон для материальной точки, которая имеет массу, но не имеет размера. Как следует из принципа дуализма волны-частицы и соотношений неопределенности, для описания поведения элементарных частиц этот закон неприменим. Выход из такого положения нашел Э. Шредингер, воспользовавшись идеей де Бройля и сопоставив движение микрочастицы с комплексной функцией координат и времени, которую он назвал волновой и обозначил буквой Ч^/. Решение волнового уравнения Шредингера для функции Ч* характеризует состояние микрочастицы.

Уравнение Шредингера является основным уравнением квантовой механики. Физический смысл волновой функции Ч* указал М. Борн. Квадрат модуля Т определяет вероятность того, что микрочастица будет обнаружена в пределах некоторого объема. Предсказания квантовой механики, таким образом, в отличие от классики носят вероятностностатистический характер.

Переход к квантово-механической картине мира позволил снять противоречия, возникшие в связи с «ультрафиолетовой катастрофой». С другой стороны, чтобы сделать понятной неудачу опыта Майкельсона — Морли по поиску эфира, потребовалось описать картину мира на языке частной теории относительности.

В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой заложил основы специальной теории относительности (СТО). В основу этой теории он положил три постулата:

• 1) скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга;
• 2) во всех таких системах координат одинаковы все законы природы (принцип относительности);
• 3) передача воздействия (сигнала) от одного тела к другому не может быть мгновенной (т.е. осуществляться с бесконечной скоростью), она всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 тыс. км/с).

Из этих постулатов вытекали следствия, приведшие к радикальному пересмотру классической картины мира. Оказалось, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства, причем ни в плане их независимости друг от друга, ни в плане их независимости от скорости движения тела. Ход времени также зависел от скорости движения. Отсюда, в частности, следовал знаменитый «парадокс близнецов»^[1].

Из теории также следовало установленное Эйнштейном соотношение взаимосвязи массы и энергии:

где с — скорость света в вакууме.

Оказалось, что именно благодаря дефекту массы при реакции превращения протонов в ядра гелия, в соответствии с данной формулой в недрах звезд выделяется достаточное количество энергии, чтобы поддерживать их существование в течение миллиардов лет.

Следующее следствие получил Г. Минковский. Он показал, что в рамках модели мира, соответствующей теории относительности, пространство и время — это единый четырехмерный феномен, а вовсе не раздельные автономные сущности или субстанции, как это считалось в картине мира классической науки.

Осталось решить проблему гравитации. Эту задачу в 1916 г. решил Эйнштейн, создав общую теорию относительности (ОТО). Если для формулирования законов классической механики Ньютону потребовался аппарат дифференциального и интегрального исчисления, то в основу ОТО была положена неевклидова геометрия Римана и тензорный анализ. Из ОТО следовало, что гравитация — это результат искривления пространства вблизи массивных тел.

Картина мира, соответствующая ОТО, содержит всего две автономные реальности — вещество и поле. Законы тяготения — это структурные законы, описывающие гравитационное поле между материальными объектами. Между материей и полем в ОТО нет качественного различия: вещество находится там, где концентрация поля максимальна, поле — там, где она мала. Эйнштейн полагал, что в перспективе всю теорию удастся свести к единственной реальности — полю.

Вселенная, описываемая ОТО, сначала была стационарной. Но в 1922 г. А. А. Фридман, анализируя уравнения ОТО, показал, что эта теория содержит и нестационарные решения: Вселенная может расширяться. Впоследствии Эйнштейн признался, что не заметив этого решения, он совершил самую большую ошибку в своей жизни.

В 1929 г. Э. Хаббл, наблюдая красное смещение в спектрах излучения далеких галактик, доказал, что Вселенная расширяется на самом деле. Зная скорость, с которой разбегаются галактики, можно было рассчитать, когда начался этот процесс. Согласно современным оценкам, эго произошло примерно 14 млрд лег назад. Событие, которое привело к возникновению Вселенной, получило название Большой Взрыв.

Сделан расчет масштабов времени, пространства и энергии, которые соответствуют этой начальной стадии эволюции нашего мира. Они таковы:

Эти величины времени, длины и энергии получили название платовских. Их смысл состоит в том, что они определяют ту границу, до которой применима современная физическая теория. На меньших масштабах перестают работать причинно-следственные связи и ничего нельзя сказать ни о структуре пространства, ни о поведении времени.

Существуют ли прямые экспериментальные подтверждения феномена Большого Взрыва? В 1965 г. Р. Пензиас и Р. Вильсон открыли реликтовое излучение с температурой 3,5° К, равномерно поступающее из далеких глубин Вселенной. А согласно теории Г. Гамова, температура Вселенной, которая на стадии Большого Взрыва была очень высока, в результате последующего расширения должна была обусловить возникновение к настоящему времени холодного фонового излучения с температурой около 5° К. Таким образом, после этого открытия теория Большого Взрыва стала почти общепризнанной.

Как развивалась история Вселенной на самых ранних стадиях рождения нашего мира, когда его размеры были много меньше протона? На этот вопрос отвечает весьма экзотическая теория инфляции или раздувания, предложенная А. Гутом и А. Д. Линде. Согласно этой теории, за время порядка 10″ ³³с Вселенная раздувается до размеров, близких к современным, а ее микронеоднородности могли послужить гравитационными зародышами, из которых позже выросли звезды и галактики. Благодаря этой теории делается более понятным и ответ на вопрос, откуда взялась энергия, необходимая на создание материи. Ее источником послужила огромная гравитационная энергия молодой Вселенной. Вот как описывает этот процесс один из авторитетных современных специалистов по космологии С. Хокинг: «Вселенная взяла в долг огромное количество отрицательной гравитационной энергии, которая точно уравновесила положительную энергию материи. Во время инфляции Вселенная делала огромные долги у гравитационной энергии, чтобы финансировать создание новой материи. В результате восторжествовала кейнсианская экономика: получилась сильная экспансивная Вселенная, полная материальных объектов. А долг гравитационной энергии не будет погашен до конца существования Вселенной».

Ничто, пустота, из которой родилась Вселенная, — это не тот вакуум, который в 1644 г. был открыт учениками Галилея Э. Торричелли и В. Вивиани. Это был совсем другой пласт реальности — физический или квантовый вакуум, открытый в 1928 г. П. А. М. Дираком. Ему удалось обобщить уравнения квантовой механики для скоростей, близких к скорости света. Из его теории следовало, что электрон, как и все остальные элементарные частицы, может обладать не только положительной, но также и отрицательной энергией. Понять физический смысл этого предсказания было непросто. Чтобы разобраться в этом вопросе, Дирак воспользовался тем обстоятельством, что помимо массы и заряда электрон обладает и третьей столь же фундаментальной характеристикой — спином. Спин, что по-английски означает кручение, волчок — это квантовое число, равное собственному моменту количества движения частицы. Для электрона спин может иметь только одно из двух значений:

Для подобных частиц с полуцелым спином известен принцип запрета, сформулированный В. Паули: в квантовой системе на одном энергетическом уровне могут находиться лишь две частицы с противоположно направленными спинами. Дирак воспользовался этим правилом и предположил, что в области отрицательной энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на них электроны представляют собой квантовый вакуум. Этот феномен получил название «вакуумного моря» Дирака. Однако если на это «море» направить мощный импульс гамма-излучения, то получивший его электрон приобретет положительную энергию и перейдет в реальный мир. В «море» же останется «дырка», во всем похожая на электрон, только заряд у нее будет положительным — это следствие закона сохранения заряда.

В 1932 г. К. Андерсон, исследуя космические лучи, открыл эту «дырку» и назвал ее позитроном. Андерсон получил за свое открытие Нобелевскую премию, а Дирак — подтверждение своей теории о квантовом вакууме.

• [1] Парадокс близнецов — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются доказать противоречивость специальной теории относительности. Рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (путешественник) отправляется в космический полет, второй (домосед) — остается на Земле. С точки зрения домоседа часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому привозвращении они должны отстать от часов домоседа. С другой стороны, относительно путешественника двигалась Земля, поэтому отстать должны часы домоседа. Па самом деле братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время.