Н. И. Константинова концепции современного
Скачать 2.03 Mb.
|
Т  ИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ЧАСТИЦАМИСильное ядерное Гравитационное Электромагнитное Слабое После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких «великих» теорий. Конечно, в этом названии есть некоторая доля преувеличения: во-первых, все предложенные теории на самом деле вовсе не такие уж и великие, а во-вторых, они просто не могут объединить в себе все четыре вида взаимодействий по причине того, что совсем не рассматривают гравитационные взаимодействия. Тем не менее, такие теории могут стать определенным шагом на пути создания полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Теории великого объединения «проливают свет» и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество, в основном, состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космическими лучами подтверждают, что то же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике! Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией. Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной. 4.2.14. Объединение физики. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции Учеными разрабатываются теории, затрагивающие какую-либо одну область науки. Например, в химии можно рассчитывать взаимодействия атомов, не зная внутреннего строения атомного ядра. Но ученые надеются на то, что, в конце концов, будет найдена полная, непротиворечивая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии. Надежды на построение такой теории со временем возрастают, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной. Из физики мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях: слабых, сильных, электромагнитных и гравитационных. Первые три взаимодействия могут быть объединены, но такая теория неудовлетворительна, потому что она не включает гравитацию. Основная проблема построения теории, которая объединяла бы гравитацию с остальными силами, связана с тем, что общая теория относительности представляет собой классическую теорию, т.е. не включает в себя квантово-механический принцип неопределенности. Другие же теории связаны с квантовой механикой. Поэтому, прежде всего, общую теорию относительности необходимо объединить с принципом неопределенности. Такие теории создавались в последнее время, но у них был весьма существенный недостаток: в них возникали бесконечные значения энергий, масс. Эти «бесконечности» пытались убрать чисто техническим (математическим) путем, называемым перенормировкой. Однако, у этого метода есть серьезный недостаток: он не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил, их приходится подгонять под эксперимент. В результате мы имеем теорию, в которой кривизна пространства-времени должна быть бесконечной, несмотря на то, что эта величина явно конечна. Примерно в 1976 г. появилась надежда на решение проблемы с бесконечностями – теория супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица, с помощью которой гравитационное поле взаимодействует) объединяется с некоторыми новыми частицами, и тогда все эти частицы можно рассматривать как разные виды одной и той же «суперчастицы», – таким образом осуществляется объединение частиц материи. Однако, чтобы выяснить все ли бесконечности устранены, требовалось проделать такое количество громоздких и сложных расчетов, что ими никто не стал заниматься. В 1984 г. общее мнение ученых изменилось в пользу так называемых струнных теорий. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры типа бесконечно тонких кусочков струны, не имеющие никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободными, либо соединенными друг с другом. Струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Тогда ее движение в пространстве-времени изображается двухмерной поверхностью, которая называется мировым листом. То, что раньше считалось частицами в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец. В теориях суперструн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных видах этих теорий число бесконечностей сократится. Но струнным теориям присуща и более серьезная трудность: они не противоречивы лишь в десяти- или двадцатишестимерном пространстве, а не в обычном – трехмерном! Лишние измерения – это обычное дело в научной фантастике. Но что с ними делать в нашем реальном мире? Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они существуют? Почему мы ощущаем только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения «свернуты» в очень малое пространство, размером порядка единицы, деленной на единицу с тридцатью нулями доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем. Но тогда возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все измерения должны свернуться в маленький шарик? Один из возможных ответов выводится на основе антропного принципа. Антропный принцип заключается в том, что во Вселенной, великой или бесконечной в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будет выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и во времени. Двух пространственных измерений недостаточно для того, чтобы могли развиться такие сложные существа, как люди. Трудности возникли бы и в том случае, если бы число пространственных измерений было больше трех. В этом случае гравитационная сила между двумя телами быстрее возрастала бы с расстоянием, т.к. когда расстояние удваивается, в трех измерениях гравитационная сила уменьшается в четыре раза, в четырех измерениях – в восемь раз, в пяти – в шестнадцать и т.д. Это значит, что орбиты планет, например, Земли, вращающихся вокруг Солнца, были бы нестабильны в том смысле, что малейшее отклонение от круговой орбиты привело к тому, что Земля стала бы двигаться по спирали либо от Солнца, либо к Солнцу. Мы тогда бы либо замерзли, либо сгорели. Да и с Солнцем творилось бы неладное: оно или распалось бы на части, или сколлапсировав, превратилось бы в черную дыру. В результате мы приходим к выводу, что жизнь может существовать лишь в таких областях пространства-времени, в которых одно временное и три пространственных измерения не очень сильно искривлены. Допускает ли струнная теория существование таких областей? По-видимому, да. Хотя вполне могут существовать и другие области Вселенной или другие вселенные. Теория струн затрагивает самые важные вопросы мироздания и является более разработанной современной попыткой ответа на вопросы о природе фундаментальных взаимодействий. Однако, несмотря на огромный интерес к теории и замечательные достижения, следует сказать, что основные проблемы здесь остаются открытыми. И главная проблема – отсутствие экспериментальных предсказаний. Как пишут российские физики-теоретики И. Арефьева и И. Волович в предисловии к первому тому книги пионеров теории суперструн М. Грина, Дж. Шварца, Э. Виттена «Теория суперструн»: «Мы можем вложить всю информацию об элементарных частицах в теорию суперструн, но сама теория струн не дала пока никаких экспериментальных предсказаний». Вполне возможно, что теорию суперструн сменит другая теория, которая, в силу развития естествознания и математики, будет более точной и согласованной с нашим опытом. Что бы это означало, если бы нам удалось открыть теорию Вселенной? Мы, к сожалению, никогда не могли бы быть уверенными в том, что найденная теория действительно верна, потому что никакую теорию нельзя доказать. Но если бы открытая теория была математически непротиворечива и если бы ее предсказания всегда совпадали с экспериментом, то мы могли бы не сомневаться в ее правильности. Кроме того, открытие такой теории произвело бы революцию в естествознании. Однако, даже если бы нам действительно удалось открыть единую теорию, это не означало бы, что мы смогли бы предсказывать будущее. На то есть две причины. Во-первых, наше предсказание будет ограничиваться квантово-механическим принципом неопределенности, во-вторых, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию. Но, как бы то ни было, полная и непротиворечивая единая теория – это лишь первый шаг к глобальному мышлению. Наша цель – полное понимание всего происходящего вокруг нас и в нас самих. Центральный вопрос современной физики – это объединение квантовой механики с теорией относительности. Если такое объединение станет возможным, появится новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время смогут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярности и границ, и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ее однородность в больших масштабах и одновременно отклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа. Все сказанное подводит нас к мысли о том, что на исходе четвертая глобальная естественнонаучная революция, предопределяемая необходимым, но окончательно еще никем не осуществленным синтезом, доминирующим в макромасштабах общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах квантовыми (дискретными) представлениями о строении материи в единую физическую теорию, объединяющую все четыре фундаментальных взаимодействия гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Каждый из трех великих преобразователей естествознания, каковыми являлись корифеи астрономии и физики – Аристотель, Ньютон и Эйнштейн, не только завершил свою космологическую или глобальную естественнонаучную революцию, но и создал необходимые физические и космологические предпосылки для осуществления последующей глобальной естественно научной революции. 4.3. МЕТОДОЛОГИЯ В РАЗВИТИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК Методология – наука о методах. Изучая закономерности познавательной человеческой деятельности, методология вырабатывает на этой основе методы ее осуществления. Известны 2 группы методов: I группа – это общефилософские методы включающие диалектический и метафизический методы познания мира, II группа – общенаучные методы, которые используются в самых различных областях знания (физика, химия, биология и т.д.) Классификация общенаучных методов тесно связана с понятием – уровней научного познания. Различают 2 уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Одни общенаучные методы применяются только на эмпирическом уровне (наблюдения, эксперимент, измерение); другие – только на теоретическом (идеализация, формирование, анализ и синтез). 4.4 ХИМИЯ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. ВЕЛИКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ 4.4.1 Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи Наши знания о природе накапливаются и развиваются не хаотично, а в строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации материи. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на отдельные естественные дисциплины, например, химию или физику часто бывает достаточно условным: физические идеи находят свое отражение в объяснении химических процессов, а изучение химических превращений веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических закономерностей и явлений, например, открытию высокотемпературной сверхпроводимости или открытию солитонов. Это обусловлено, прежде всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования – вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками: во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более широк – от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук – физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и т.д. В этих науках ученые пытаются объяснить химические, биологические и все прочие природные явления и процессы с точки зрения основных физических законов. И действительно, представим себе как бы прекрасно жилось человечеству, если бы весь мир описывался элементарными физическими закономерностями. Но мы знаем как на самом деле непросто устроена единственная самая простая живая клетка с ее уникальной клеточной мембраной, избирательной для разных ионов, с разнообразными клеточными органеллами, безукоризненно обеспечиваю щими ее жизнедеятельность и с загадочным «мозговым центром» клетки – клеточным ядром, содержащим хромосомы. При этом следует учитывать и тот факт, что каждую секунду в живой клетке все изменяется – происходит обмен веществ и обмен энергией с окружающей средой, меняется цикл жизнедеятельности клетки: она стареет, или напротив, готовится к синтезу белка, взаимодействует с другими клетками и т.д. Совершенно очевидно, что для того, чтобы исследовать такие сложные процессы следует сначала просто описать, удостовериться в их истинности и повторяемости. Описанием явлений и процессов природы занимаются феноменологические науки ( от греч. «феномен» – явление). Целью таких знаний является описание природных явлений на макроскопическом уровне, т.е. на уровне, доступном восприятию органами чувств человека. Однако, современная экспериментальная наука, использующая разнообразные методы исследования и новейшее оборудование: электронные микроскопы ЯМР – томографы, высокоразрешимую спектроскопическую аппаратуру, включая рентгеноспектральную и другие современные методы исследования позволяет значительно углубиться внутрь изучаемого предмета – «спуститься» с макроуровня на микроуровни. Для того чтобы понять, что скрывается под понятием микроуровни, рассмотрим, например, процесс митотического деления живой клетки с точки зрения различных естественных наук. Каждой из них соответствует свой уровень познания этого явления. Итак, добро пожаловать в нашу гипотетическую лабораторию, в которой собрались ученые, работающие в различных областях естественных наук над одной и той же проблемой – митозом живой клетки! «Что происходит с клеткой в данный момент?» – спросите вы у биолога. «Клетка делится на две», – ответит он. «При этом происходит разделение хромосом», – уточнит эмбриолог, изучающим данный процесс при помощи электронного микроскопа. «Хорошо, – говорите вы, – а что при этом изменяется на молекулярном уровне в этой самой хромосоме?» «А вот что», – спешит вам на помощь молекулярный биолог, который пытается объяснить сложные биологические процессы, прибегая к знаниям о структуре и взаимодействии биологически важных макромолекул, участвующих в процессе деления клетки – ДНК, РНК, белков, липидов и их надмолекулярных комплексов. «Так-так, – думаете вы, – если в этом процессе задействованы макромолекулы, то, наверное, они могут вступать в химические взаимодействия друг с другом и с более легкими молекулами, которые их окружают?» «Конечно!» – тут же соглашается с вами ученый-биохимик, который уже смоделировал часть этого процесса в лабораторной колбе. «Но ведь все молекулы состоят из атомов!» – вспоминаете вы. «Вот именно!» – радуется физик и тут же объясняет вам, почему именно эти молекулы взаимодействовали друг с другом. «Ну, уж нет, – возмущается математик, – без моей математической модели, которая описывает этот процесс вам не обойтись!» – И тоже будет прав. Так, на простом примере мы убедились в том, что один и тот же феномен природы может быть объяснен с позиций разных естественных наук. Эти позиции не противоречат друг другу, а, напротив, дополняют друг друга, где-то пересекаются друг с другом, создавая полную картину одного события. Как видим, причина для проведения исследования всеми этими разными науками в данном случае одна – это общее для всех само природное событие, явление – митотическое деление живой клетки. Но каково многообразие микроуровней на которых можно исследовать это одно явление с точки зрения современного естествознания! На этом примере мы также убедились в существовании некой иерархии знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Вспомните еще раз уже известную вам схему связей физических, химических и биологических наук: ФИЗИКА --> ХИМИЯ --> БИОЛОГИЯ Но эта связь не является чисто механической, придуманной кем-то схемой, она отражает иерархию организации материи, которая действительно существует в природе: ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ --> АТОМ --> МОЛЕКУЛА --> МАКРОМОЛЕКУЛА --> НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ -- > ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТКИ -- > ЖИВАЯ КЛЕТКА |
Похожие:
 | Н. И. Константинова концепции современного К65 Концепция современного естествознания: Учебное пособие. – Новосибирск: нф рап, 2012 |  | Аннотация к рабочей программе учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» Дисциплина «Концепции современного естествознания» входит в цикл Математических и естественнонаучных дисциплин (Б. 2) |
| Методическая разработка по дисциплине «Концепции современного естествознания» Дисциплина «Концепции современного естествознания», согласно государственному образовательному стандарту, является обязательной для... | | Рабочая программа дисциплины концепции современного естествознания... Рабочая программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» подготовлена Голигузовым Д. В., к ф н., доцентом кафедры... |
| Концепции Современного Естествознания Преподаватель Рыжиков В. Н.... Учебник: Биболетова М. З., Бабушис Е. Е., Снежко Н. Д. EnjoyEnglish» Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений, Обнинск:... | | С. П. Филин Концепции современного естествознания: конспект лекций Конспект лекций соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования РФ и... |
| Учебно-методический комплекс на модульной основе дисциплины «концепции... Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что,... | | Программа дисциплины «Концепции современного естествознания» Программа дисциплины «Концепции современного естествознания» разработана доцентом кафедры прикладной и медицинской физики, к ф м... |
| Методические рекомендации к самостоятельной работе студентов по дисциплине... Содержание внеаудиторной самостоятельной работы студентов по дисциплине «концепции современного естествознания» включает в себя различные... | | Методические рекомендации к самостоятельной работе студентов по дисциплине... Содержание внеаудиторной самостоятельной работы студентов по дисциплине «концепции современного естествознания» включает в себя различные... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями гос впо... Дубов В. П. Концепции современного естествознания. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 032001.... |
| Пояснительная записка требования гос к уровню знаний, умений и навыков,... Т. В. Сазанова. Концепции современного естествознания: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов озо специальности... | | Концепции современного естествознания глава 12. Онтогенетический... Дубнищева т. Я концепции современного естествознания глава 12. Онтогенетический уровень организации жизни. Концепции эволюционной... |
| Программа дисциплины Концепции современного естествознания для... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки бакалавра... | | Программа дисциплины концепции современного естествознания Поэтому студентам, изучающим юридические науки необходимо иметь ясные представления о методах естественнонаучного познания, знать... |
