Концепции современного естествознания Часть 2.
реклама
Концепции современного естествознания Часть 2 (состоит из 2 частей) Вернуться в каталог учебников по естествознанию www.учебники.информ2000.рф/estestvo/estestvo.htm Аудио-версия текста данного учебника – 1 тыс. руб. Создание аудио-версий любых текстов [email protected] Готовые дипломные работы www.готовые-дипломы.информ2000.рф Как создать и продвинуть сайт www.sait-prodvinut.ru I. ФИЗИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР (продолжение) 1.2. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АТОМНЫЙ И НУКЛОННЫЙ УРОВНИ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ Понятие микромира. Современное естествознание выделяет три различные структуры: макромир, микромир и мегамир. Главное в том, что эти структуры описываются различными законами. Микромир – это мир молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, размеры которых составляют от 10-8 до 10-16 см, а время их жизни – от бесконечности до 10-24 сек. Все эти микрообъекты описываются особой наукой – квантовой механикой и квантовой теорией поля. Революция в естествознании и смена прежней картины мира. В конце XIX и начале XX в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX века были открыты электроны, входящие в состав атомов. (Атомы, из которых состоят молекулы, необходимо было ввести для объяснения явлений химии – понятия химического элемента и химических реакций, а также оптических явлений). Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц). Атомные ядра и элементарные частицы были введены для объяснения явлений радиоактивности, а также явлений, происходящих при столкновениях атомов большой энергии. Явления радиоактивности, впервые обнаруженные в конце XIX века, говорят о структуре атомного ядра, составленного из элементарных частиц. Взаимопревращение атомных ядер приводит к взаимопревращению атомов 1 (элементов), о чем мечтами в средние века алхимики. Наконец, в опытах по столкновениям элементарных частиц, проводимых в ускорителях, обнаруживается, что те частицы, из которых состоят атомные ядра – протоны и нейтроны – также имеют структуру и состоят из кварков и глюонов. Итак, молекулы состоят из нескольких атомов, каждый атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Каждое атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов. Силы взаимодействия, действующие в молекуле, – это электромагнитные силы и предсказываемые квантовой физикой обменные силы. Силы, действующие в атоме, - это также электромагнитные силы и обменные силы. В атомном ядре действуют силы сильного, электромагнитного и слабого (объединяемое в единое электрослабое) взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитные силы требуют введения особых частиц – фотонов, сильные и слабые взаимодействия требуют множество других частиц – мезонов, лептонов, глюонов, хиггсовских бозонов. За исключением хиггсовских бозонов, все эти частицы наблюдаются в эксперименте. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУЯЛИЗМ В начале возникновения квантовой механики в 1909 году А. Эйнштейн показал, что свет, обладающий такими волновыми свойствами, как интерференция и дифракция, в явлениях фотоэффекта ведет себя так, что можно говорить об особых «частицах» – квантах света. Дальнейшее доказательство корпускулярной теории света получил в 1922 году А. Комптон, обнаруживший изменение длины волны рентгеновских лучей при их рассеянии на свободных электронах. Этот факт был объяснен законами сохранения энергии и импульса при упругом столкновении двух частиц – фотона и электрона. В результате было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация и др.) свет обладает и корпускулярными свойствами. В этом и состоит двойственная природа света, получившая название корпускулярно-волнового дуализма. Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений было необходимо считать свет волной, а для других частицей. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики. С другой стороны, Н. Бор (1885–1962) в 1913 году предложил объяснение оптических свойств атомов введением особых квантовых орбит электронов в атоме, так что при движении по этим орбитам электроны не излучают энергию, как это должно быть согласно электродинамике. Этим орбитам соответствуют определенные уровни энергии с дискретно меняющимися значениями энергии. Существование таких дискретных уровней энергии аналогично существованию различных музыкальных тонов у струны или гитары и может 2 быть объяснено наличием особых «стоячих» волн. Все это привело французского физика Луи де Бройля к введению представления о существовании особых волн – волн де Бройля, «сопутствующих» каждой частице. Универсальность корпускулярно-волновой концепции. Французский физик Луи де Бройль (1892–1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представление о двойственной корпускулярноволновой природе света, выдвинул в 1924 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, любой микрообъект можно описать, с одной стороны, корпускулярными характеристиками – энергией Е и импульсом p, а с другой – волновыми характеристиками – частотой ν и длиной волны λ. Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов: Е = hν; p = h/λ. Смелость гипотезы де Бройля заключалась в том, что приведенные формулы постулировались те только для фотонов, но и для микрочастиц, обладающих массой покоя. Таким образом, любой частице с импульсом p соответствует волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля: λ = h/p. Поиски волновых свойств частиц довольно быстро увенчались успехом. В 1927 году К. Дэвиссон (1881–1958) и Л. Джермер (1896–1971) впервые наблюдали дифракцию электронов, подтвержденную впоследствии другими исследователями. Тем самым, было доказано, что волновые свойства присущи даже отдельному электрону. Сегодня волновые явления наблюдаются не только у таких частиц как электроны, протоны, нейтроны, но и у атомов и молекул. Исходя из оптико-механической аналогии, в 1926 году Э. Шредингер (1887–1961) предложил уравнение, описывающее поведение таких волн во внешних силовых полях, а М. Борн (1882–1970) дал вероятностное толкование волновой функции. Эту идею еще раньше выразил У. Гамильтон (1805–1865), показавший, что для математического описания вопрос о природе света не имеет значения. В микромире уравнение Шредингера играет такую же роль, как и уравнения Ньютона в классической механике. Таким образом, в 30-е годы ХХ в. было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это получило название дуализма волны и частицы, т.е. микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн. 3 Из корпускулярно-волнового дуализма следует неизбежный отказ от некоторых классических представлений, сформировавшихся в результате наблюдений за движениями макроскопических тел. Наблюдение волновых явлений несовместимо с представлениями о движении частицы по определенной классической траектории. В 1925–1927 г. для объяснения процессов, происходящих в микромире, была создана волновая, или квантовая механика. Последнее название и утвердилось за новой наукой. В 1925 году В. Гейзенберг (1901–1976) построил формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраические величины – матрицы. Связь матриц с реально наблюдаемыми величинами давалась простыми формулами. В итоге два казавшиеся различными подхода – волновая механика Шредингера и матричная механика Гейзенберга – оказались эквивалентными. Окончательное формирование квантовой механики произошло в 1927 году после формулировки соотношения неопределенностей в 1927 году. Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне, основанная на единстве матричной и волновой механики. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения микромира. Измерения в квантовой механике. Роль прибора. Рассматривая процессы в микромире, следует отметить специфику измерений на квантово-механическом уровне. Еще Галилей сказал: «Гораздо легче измерять, чем знать, что измерять». Оказывается, что при описании поведения квантовых частиц сам объект изучения микромира и экспериментальный прибор составляют единую систему. Это, с одной стороны, показывает, что, наблюдая микрообъект, мы в результате этого наблюдения влияем на него. Причем это не обязательно относится лишь к электронам, фотонам и т.д. Это может быть и клетка, структуру которой мы наблюдаем флуоресцентным методом иммунного анализа и которую мы измеряем или даже убиваем таким воздействием. А с другой стороны, это означает, что поведение изучаемого микрообъекта имеет смысл, только исходя из результатов измерений. Следовательно, проявление квантового объекта в качестве или частицы, или волны будет зависеть от того, что и как мы измеряем. Поэтому волновой или корпускулярный характер квантовая частица приобретает лишь в глазах экспериментатора. Отметим, что и в классической физике измерения проводятся всегда с некоторой погрешностью. Математически процесс измерения определяется формулой: F(y) = g(x–y) f(x)dx, 4 где f(x) – истинное значение измеряемой величины, g(x–y) – инструментальная функция измерительного прибора, F(y) – измеряемая прибором физическая величина. В математике приведенное выражение называется сверткой. Лишь и идеале инструментальная функция g(x–y) может описываться так называемой δ–функцией Дирака, и тогда g(x–y)dx = 1 и F(y) и f(x) совпадут. Однако в реальном процессе измерения этого нет и погрешность измерения тем больше, чем больше отличие g(x–y) от δ–функции. , т.е. искажения в измерениях тем больше, чем более «расплывчата» инструментальная функция. Другими словами, даже при обычных макроизмерениях мы находим какие-то параметры с некоторой вероятностью. СТО. Другая фундаментальная теория современной физики – теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. Важнейший методологический урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. ОТО. Еще более радикальные изменения в учении пространства и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения. Здесь отметим, что общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства– времени. СТРУКТУРА АТОМОВ Развитие представлений о структуре атомов. Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена (Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило широкого признания. Атомистическая теория приобретает все большую популярность лишь к концу XVIII в. благодаря трудам великого русского ученого М.В. Ломоносова, английского химика и физика Д. Дальтона и др. Однако в то время вопрос о строении атомов даже не ставился – атомы считались неделимыми. Большой вклад в развитие атомистической теории внес выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. Периодическую систему элементов, исходя из единой природы атомов. Различные предположения о сложной структуре атомов долгое время не подтверждались опытами. Активное изучение строения атома началось в 1897 г. после открытия электронов, входящих в состав атомов английским физиком Дж. Томсоном (1856–1940). В 1903 году Томсон предложил первую модель атома: положительный заряд равномерно распределен в достаточно большой области, предположительно сферической, внутри нее находятся отрицательно заряженные электроны. Суммарный заряд электронов равен положительному 5 заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Однако такая модель существовала недолго. Эксперименты Э. Резерфорда (1871–1937) в 1913 году по рассеянию α частиц на атомах золота в тонкой фольге показали, что большинство частиц легко проходят через фольгу, отклоняясь на небольшие углы. Этот результат позволил предложить новую модель атома, названную планетарной. Масса атома почти вся сосредоточена в небольшом по размеру ядре, которое заряжено положительно, поэтому оно рассеивает немногие пролетающие вблизи также положительные α-частицы. Электроны вращаются вокруг ядра, удерживаемые на своих орбитах кулоновскими силами притяжения. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц). Противоречивой оказалась и эта модель: вращающийся электрон движется с ускорением, следовательно, по законам электродинамики будет излучать энергию, со временем потеряет свою кинетическую энергию и упадет на ядро. Атом же устойчив. Кроме того, атом будет иметь сплошной спектр, а не наблюдаемый в опытах линейчатый. К планетарной модели атома Н. Бор (1885–1962) применил идею квантования. Из всех орбит, допускаемых классической механикой для движения электрона в электрическом поле ядра, реально существуют лишь некоторые, называемые стационарными. Стационарные орбиты удовлетворяют условиям квантования момента импульса электрона, при движении по этим орбитам электрон не испускает световых волн. Таким орбитам соответствуют определенные уровни энергии электрона. Электрон в атоме излучает энергию дискретными порциями лишь при переходе с одной стационарной орбиты на другую. Энергия излучения оказывается квантованной, что объяснило линейчатый спектр атома и позволило получить правильную формулу для частот спектральных линий водородоподобных атомов. Постулаты Бора. Нильс Бор связал в единое целое эмпирические закономерности линейчатого спектра излучения атома водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории атома Бор положил два постулата: Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн. Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией 6 hν = Еn – Em , равной разности энергий Еn и Em, соответствующих стационарным состояниям атома до и после излучения (поглощения). Переходу электрона со стационарной орбиты с номером m на стационарную орбиту с номером n соответствует переход атома из состояния с энергией Em в состояние с энергией Еn. При Еn > Em происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т.е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близкую); при Еn < Em – поглощение фотона (переход атома в состояние с большей энергией, т.е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот квантовых переход ν = (Еn – Em)/ h определяет линейчатый спектр излучения атома. Теория атома Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр излучения атомов водорода. Успехи теории атома водорода достигнуты ценой отказа от фундаментального положения классической термодинамики. Поэтому большой значение имело прямое подтверждение справедливости постулатов Бора, особенно первого – о существовании стационарных состояний (второй постулат можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии и гипотезы о существовании фотонов). Существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов экспериментально подтвердили немецкие физики Д. Франк и Г. Герц при исследовании взаимодействия электронов с атомами газообразной ртути (1913). Несмотря на несомненный успех концепции Бора в объяснении структуры атома водорода, для которого удалось создать количественную теорию спектра излучения, построить подобную теорию для следующего за водородом атома гелия на основании модели Бора не удалось. В современном представлении определенные орбиты, по которым движется электрон в атоме Бора, отражает один из этапов в понимании структуры атома. На самом деле движение электронов в атоме различных элементов имеет сложный характер и объясняется в рамках квантово-механической концепции. Принципы неопределенности В. Гейзенберга. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени можно определить ее координату и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных отличий – нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярноволнового дуализма. Так, понятие «длины волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, микрочастица с определенным импульсом имеет неопределенную координату. 7 И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс не определен. Немецкий физик В. Гейзенберг (1901–1976), учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу: любой объект микромира невозможно одновременно, с заданной наперед точностью, характеризовать и координатой, и импульсом. Он сформулировал принцип неопределенности: микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию ∆x • ∆ px ≥ h. Соотношение неопределенностей Гейзенберга означает, что произведение неопределенностей координаты ∆x и импульса ∆ px не может быть меньше постоянной Планка h. Чем меньше неопределенность одной из величин, тем больше она у другой. Важно отметить, что дело не в точности приборов и даже не в воздействии измерительного прибора на микрообъект. Дело в том, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц. Неопределенность – свойство состояния. Это следствие специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы. Соотношение неопределенностей получено при одновременном использовании классических характеристик движения частицы (координаты, импульса) и наличия у нее волновых свойств. Поскольку в классической механике принято, что измерение координаты и импульса может быть произведено с заданной точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам. Принцип дополнительности. Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Например, координата – импульс, время – энергия и др. Такими взаимно дополнительными величинами являются уже рассмотренные координата и импульс частицы, а также энергия и время, напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов, и др. С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора (макроскопического объекта) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего 8 прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. С позиций квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны, причем, если одна из таких величин точно определена, то значения другой неопределены. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем. Копенгагенский тип физической реальности. Проблеме роли наблюдателя в квантовой физике уделяли большое внимание многие выдающиеся создатели квантовой физики: А. Эйнштейн, Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, Дж. Фон Нейман, В.А. Фок. Согласно Бору, говоря о квантовых свойствах микрообъектов, мы всегда должны говорить о приборах, с помощью которых они измеряются. Работа этих приборов обязательно должна описываться на языке классической, а не квантовой физики. Конечно, приборы как физические тела «состоят» из атомов, но их работа при «измерении» обязательно описывается классически. В. Гейзенберг и В.А. Фок предложили описывать квантовые объекты на особом языке Квантовый объект – это множество «объективно существующих потенциальных возможностей». Роль наблюдателя состоит в том, что при наблюдении эти возможности реализуются как объективные факты – только одна возможность реализуется, другая же нет. В.А. Фок использовал аналогию с относительностью длины в теории относительности: определенная длина «существует» только в относительно определенной системе отсчета. В разных системах отсчета длина разная. Итак, приборы играют роль в квантовой физике роль систем отсчета. Конечно, приборы состоят из атомов, как и системы отсчета в теории относительности имеют длину, обычно фиксированную в собственной системе отсчета. Но в своем качестве «быть прибором», они описываются на языке классической физики, так как только наблюдатель с их помощью может получить «информацию» о квантовой системе. В связи с копенгагенской интерпретацией на языке «объективно существующих потенциальных возможностей» и ролью наблюдателя в ней, важную роль приобретает понятие информации и сознание наблюдателя. Подводя итог, скажем следующее: квантовые объекты «существуют» объективно, но будучи подчиненными другой логике, они оказываются доступными нашему сознанию, использующему приборы, дающие информацию о них, так что их свойства «становятся» истинными или ложными при измерении. Подобная точка зрения позволяет по-новому понять возникновение времени (а также пространства в ранней Вселенной) как следствие логики, вернее различия логик нашего сознания и физического мира. (Логика – наука о законах и формах мышления). 9 ВЕРОЯТНОСТЬ В МИКРОМИРЕ Вероятностные свойства микрочастиц. Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая принципами дополнительности и неопределенности, а также противоречие ряда экспериментов, применяемым в начале ХХ в. теориям, и привели к созданию квантовой механики, описывающей микрочастицы с учетом их волновых свойств. Ее становление и развитие начинается с 1900 г., когда М. Планк (1858–1947) впервые предложил квантовую гипотезу, и связано с работами физиков Э. Шредингера, В. Гейзенберга, П. Дирака и др. Важная отличительная особенность квантовой теории заключается в вероятностном подходе к описанию микрочастиц, который можно пояснить на примере их дифракции. Дифракционная картина характеризуется неоднородным распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям: в одних направлениях наблюдается их большее число, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что им соответствует наибольшая интенсивность волн де Бройля. Вместе с тем интенсивность таких волн больше там, где большее число частиц, т.е. их интенсивность в данной точке пространства определяет число частиц. Следовательно, дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистических (вероятностных) свойств: частицы попадают в те мести, где интенсивность волн де Бройля наибольшая. Для квантово-механического описания микрообъектов используется волновая функция, впервые введенная в 1926 г. Э. Шредингером. Ее физическую интерпретацию дал немецкий физик М. Борн. Волновая функция определяет вероятность нахождения микрочастицы в той или иной точке пространства. Более точно квадрат модуля волновой функции есть плотность вероятности нахождения частицы в соответствующем месте пространства. Отсюда следует, что квантовая механика имеет статистический характер, она не позволяет определить точное местонахождение частицы в пространстве или ее траекторию, речь может идти лишь о вероятности предсказания. На первый взгляд может показаться, что квантовая теория менее точно описывает движение частиц, нежели классическая, однако это не так. Квантовая механика не определяет того, чего нет на самом деле. В микромире понятия определенного местонахождения или траектории движения микрообъекта теряют смысл. Именно статистическое толкование волн де Бройля и принцип неопределенности Гейзенберга привели к выводу: основным уравнением в квантовой механике, описывающим движение микрочастиц в различных силовых полях, должно быть такое уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц. Такие уравнение с учетом волновой функции сформулировал в 1926 г. Э. Шредингер. Уравнение 10 Шредингера, как и многие уравнения физики, не выводится, а постулируется. Правильность этого уравнения подтверждается согласием с опытом полученных с его помощью результатов. Принцип тождественности. Различия между квантовой и классической механикой выявились при рассмотрении системы многих частиц. Классический подход к столкновению двух одинаковых частиц позволяет различить их движение после удара. Ведь каждая частица имеет свою собственную траекторию, даже если они оказались симметричны. В квантовой механике траекторий нет, в процессе столкновения области локализации частиц перекрываются, различить их после взаимодействия невозможно даже в принципе. Следовательно, одинаковые частицы оказываются неразличимыми – тождественными. Симметрия волновой функции и принцип Паули. Неразличимость тождественных частиц ведет к определенному свойству симметрии волновой функции. Если при перестановке частиц местами волновая функция не меняет знака, то она называется симметричной, если меняет – антисимметричной. Изменение знака волновой функции не означает изменения состояния, поскольку физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции. В квантовой механике доказано, что характер симметрии волновой функции не меняется со временем. Свойство симметрии или антисимметрии – характерный признак определенного класса микрочастиц. Симметрия или антисимметрия волновых частиц определяется спином частиц – их собственным моментом импульса. В зависимости от характера симметрии все элементарные частицы и построенные из них системы (атомы, молекулы) делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми–Дирака: такие частицы называются фермионами. Частицы с нулевым или целочисленным спином (например, пи-мезоны, фотоны), описываемые симметричными волновыми функциями и статистикой Бозе–Эйнштейна, относятся к классу бозонов. Сложные частицы (например, атомное ядро), состоящие из нечетного числа фермионов, являются фермионами (суммарный спин – полуцелый), а из четного – бозонами (суммарный спин – целый). Зависимость характера симметрии волновых функций системы тождественных частиц от спина частиц теоретически обоснована швейцарским физиком В. Паули (1900–1958). Обобщая результаты экспериментов, он сформулировал принцип, согласно которому системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями. 11 Это квантово-механическая формулировка принципа Паули. Из него следует более простая формулировка принципа Паули, введенная в 1925 г. (еще до создания квантовой механики): две тождественные частицы с полуцелым спином (фермионы) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут находится в одном и том же состоянии. Следует отметить, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не ограничивается. Иногда говорят, что бозоны – «коллективисты», они могут находиться в одном и том же состоянии. Более того, вероятность пребывания бозона в каком-либо состоянии пропорциональная числу частиц, которые уже находятся в этом состоянии. Напротив, фермионы – «индивидуалисты» – они не занимают уже занятое место. Состояние электрона в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового. Распределение электронов в атоме подчиняется принципу Паули. Для атома данный принцип можно сформулировать так: в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел. Совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число, называется электронной оболочкой. Принцип Паули, определяющий правило заполнения электронных оболочек атомов, позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Расположив химические элементы по мере возрастания порядковых номеров, он обосновал периодичность изменения химических свойств элементов. Менделеев не только правильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых, еще не открытых элементов и их основные свойства. Поскольку химические и некоторые физические свойства элементов объясняются внешними (валентными) электронами в атомах, периодичность свойств химических элементов непосредственно зависит от периодичности электронов в атомах. При объяснении последовательного расположения элементов в таблице удобно считать, что каждый последующий элемент образуется из предыдущего прибавление одного протона и соответственно прибавлением одного электрона в электронной оболочке атома. Открытая Д.И. Менделеевым периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек атомов родственных элементов. Периодическая система Д.И. Менделеева – фундаментальный закон природы. 12 Принципы причинности и соответствия. Классическая основывается на следующем понимании причинности: физика состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующие момент – следствие. Совсем другая ситуация с микрообъектами: они в соответствии с принципом неопределенности не могут характеризоваться одновременно определенными координатой и импульсом, откуда следует вывод: в начальный момент времени состояние системы точно не определено. Если же начальное состояние системы не определено, то нельзя предсказать ее последующие состояния, а это значит, что нарушается принцип причинности. Однако в реальном случае никакого нарушения нет, поскольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта имеет совершенно другой смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состояние микрообъекта полностью определяется волновой функцией в данный и последующий моменты времени. Таким образом, состояние системы микрочастиц, определяемое в квантовой механике, однозначно вытекает из предшествующего состояния, как того требует принцип причинности. В становлении квантово-механических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия: всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя, указывая границы ее применимости, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую. Таким образом, формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света в вакууме, в формулы механики Ньютона. Волновыми свойствами обладают все тела, однако для макроскопических тел ими можно пренебречь, т.е. для них применима классическая механика Ньютона. Практические аспекты квантово-механической концепции. Квантовомеханическая концепция, описывающая микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах – от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники – предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных мощных вычислительных 13 средств. Вполне возможно, что через какое-то время квантовый компьютер станет инструментом, столь же привычным, как сегодня обычный компьютер. СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ СИСТЕМЫ К современным объектам изучения атомной физики относятся не только атомы с их сложным строением, но и различные атомные системы с необычной структурой, определяющей их уникальные химические и физические свойства. К таким атомным системам относятся эксимерные молекулы, кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и др. Эксимерные молекулы существуют только в возбужденном состоянии. Возбужденные молекулы с атомом благородного газа, например, фториды криптона и ксенона, а также некоторые их производные синтезированы в последние десятилетия. Главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду для создания эксимерных лазеров – мощных квантовых генераторов ультрафиолетового излучения. Кластеры занимают промежуточное положение между молекулярным и конденсированным состоянием вещества. Кластеры состоят из относительно небольшого количества атомов или молекул. Кластеры получаются при охлаждении газа в результате его расширения в сверхзвуковом сопле Возможен и другой способ получения кластеров: при взаимодействии сфокусированного источника энергии (лазерного луча, либо пучка заряженных частиц высокой энергии) с веществом, находящимся в конденсированном состоянии, образуется своеобразная среда, содержащая кластеры различных размеров. Кластеры находят практическое применение в современной нанотехнологии. При осаждении потока кластеров на подложку можно сформировать элемент электронной схемы, размеры которого составляют десятки нанометров, и получить, например, полупроводниковую зону чрезвычайно малых размеров. Фуллерены – новая разновидность многоатомных молекул углерода, открытая в результате экспериментального исследования кластеров. Молекула фуллеренов состоит из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Структура фуллерена представляет собой замкнутую поверхность сферы или сфероида, состоящую из правильных шести- и пятиугольников с атомами углерода в их вершинах. Число пятиугольников всегда равно 12, а число шестиугольников может быть различным. Наиболее устойчивой оказалась молекула С60 с двадцатью шестиугольниками. Фуллерены обладают высокой химической активностью и способны образовывать множество новых химических соединений с необычными свойствами. Кристаллы фуллеренов – полупроводники с фотопроводимостью в видимой области спектра. Легированные атомами щелочных металлов, фуллерены обладают сверхпроводимостью при температуре 18-40 К. Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные молекулярные структуры углерода в виде полого цилиндра. Технология их формирования 14 такая же, как и для фуллеренов: они образуются при термическом распылении графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Длина однослойных или многослойных молекулярных нанотрубок достигает десятков микрометров, что на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий от одного до нескольких нанометров. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферой. Углеродные нанотрубки обладают необычными свойствами. Так нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект – способность втягивать в себя расправленные металлы и другие жидкие вещества. С помощью нанотрубок можно сформировать p–n-переход нанометровых размеров и т.д. Таким образом, рассмотренные атомные системы могут составить основу для синтеза новых перспективных материалов – материалов XXI в. с уникальными физическими и химическими свойствами. СТРОЕНИЕ ЯДЕР Строение атомного ядра. Из опытов Резерфорда следовало, что размер ядра атома 10-14 – 10-15 м (размер атома – около 10-10 м). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра предложена советским физиком Д.Д. Иваненко (1904–1994), профессором МГУ им. М.В. Ломоносова, и затем развита В. Гейзенбергом. Нейтрон, электрически нейтральная элементарная частица со спином ½ и массой покоя, незначительно превышающей массу протона; относится к классу адронов и входит в группу барионов; открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Нейтрон стабилен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около 12 мин. (Адроны – класс элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. К адронам относятся все барионы и мюоны, включая резонансы. Барионы – группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелым спином и массой не менее массы протона (нуклоны, гипероны и др.). Мюоны – нестабильные заряженные элементарные частицы со спином ½, временем жизни 2,2۰10-6 с и массой приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона; относятся к классу лептонов. Лептоны – класс элементарных частиц с полуцелым спином, не обладающих сильным взаимодействием. К лептонам относятся электрон, мюон, нейтрино, открытый в 1975 г. тяжелый лептон и соответствующим им античастицы. Все лептоны имеют спин ½, т.е являются фермионами). Протон, стабильная элементарная частица со спином ½, ядро атома водорода; имеет положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и массу покоя, превосходящую массу электрона примерно в 1836 раз; протон является адроном и относится к классу барионов. Протоны и нейтроны называются нуклонами, а общее их число – массовым числом А. Атомное число характеризуется зарядом Ze, где e – заряд 15 протона, Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента Периодической системы элементов Менделеева. Заряд ядра определяет специфику химического элемента, т.е. число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Ядра с одинаковыми значениями Z, но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = A – Z), называются изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z – изобарами. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изотопы, например, изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий). Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, ядерные силы – силы только притяжения, насыщения, зависимость от взаимной ориентации спинов нуклонов и др. Весьма сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра не позволили пока разработать единую, последовательную теорию атомного ядра. Дефект массы и энергия связи ядра. Масс-спектроскопические измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называется дефектом массы ∆m. Поскольку всякому изменению массы соответствует изменение энергии, при образовании ядра выделяется энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра Есв. Она определяется формулой Есв = ∆mс2, где с – скорость света. Обычно рассматривают удельную энергию связи – среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер (чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро) и зависит от массового числа А. Наиболее устойчивыми, с энергетической точки зрения, оказываются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два процесса: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер). Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цепной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии. 16 Радиоактивность. В 1896 г. французский физик А.А. Беккерель (1852– 1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного позднее французские ученые, супруги Кюри – Мария (1867–1934) и Пьер (1859–1906) – наблюдали подобное излучение и для других веществ – тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания – радиоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по физике 1903 г. В современном представлении радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную, наблюдаемую в существующих в природе неустойчивых изотопах и искусственную – у изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального физического различия между ними нет: для них характерны одни и те же закономерности радиоактивного превращения. Различают три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью. Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частицы положителен и по модулю равен двойному заряду электрона. Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизующей способностью и относительно высокой проникающей способностью. Один из видов бетаизлучения – поток быстрых электронов. Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем, обладает сравнительно слабой ионизующей способностью и очень высокой проникающей способностью. Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10-10 м), что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способность. Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте. Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада. Цепная реакция деления. Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер, при которых тяжелое ядро (например, урана) под действием нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер 17 (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии, например 1.1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действительно выделяется огромная энергия, распределяющаяся между осколками (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего распада осколков деления. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных станций. В процессе цепной реакции изотопов (например, уран-235) возможно воспроизводство ядерного топлива. Термоядерный синтез. Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. Энергия одного нуклона в реакции синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Управляемый термоядерный синтез – важнейшая проблема естествознания, с решением которой открывается новый перспективный путь развития энергетики. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы материи. Представление об элементарных частицах отражает ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц – способность к взаимным превращениям, что не позволяет рассматривать их как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобно атомам Демокрита. Каждая элементарная частица (за исключением нейтральных частиц) имеет свою античастицу. К настоящему времени обнаружено несколько сотен элементарных частиц, включающих и античастицы. Из них стабильны фотон, электронное, мюонное и таонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно 3 распадаются за время 10 с для свободного нейтрона и до 10-22 – 10-14 с для резонансов. (Резонанс – от лат. resono откликаюсь – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при сближении частоты внешней силы с одной из собственных колебаний системы). Однако нельзя считать, что нестабильные частицы состоят из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы. Некоторые элементарные частицы обладают необычными, а в ряде случаев загадочными свойствами. Например, долгое время считалось, что своеобразная частица нейтрино не имеет массы. Экспериментально зарегистрировать нейтрино удалось лишь в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность их регистрации заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их чрезвычайно высокой проникающей способности. В дальнейшем, кроме электронного нейтрино зарегистрированы антинейтрино, мюонное и таонное нейтрино (электрически нейтральная 18 частица со спином ½; участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях; обладает огромной проникающей способностью, особенно при низких энергиях). Совсем недавно в ходе экспериментов по изучению двойного бета-распада в итальянской подземной лаборатории удалось установить, что масса покоя нейтрино все же не равна нулю, хотя относительно мала – не превышает 0.2 эВ. Антивещество – вещество, состоящее из античастиц. Не менее интересны и загадочны античастицы, которые имеют ту же массу, спин, время жизни и некоторые другие характеристики, что и их частицы-двойники, но отличаются от них знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда и др. Гипотезу об античастицах предложил в 1928 г. П. Дирак: в результате решения релятивистского волнового уравнения он предсказал существование античастицы электрона – позитрона, обнаруженного спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон не единственная пара частица – античастица. Все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, при которой образуются другие элементарные частицы или фотоны. Например, в результате аннигиляции пары электрон–позитрон рождаются фотоны (элем. частица, квант эл.-м.изл-я с массой покоя, равной нулю). Свойства физического вакуума. По определению, вакуум (лат. – пустота) – пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. В квантовой теории поля – наинизшее энергетическое состояние. Физический вакуум (лат. – пустота) – рассматривается как особый вид вещества, состоящий из виртуальных частиц и ответственный за квантовые и релятивистские свойства всех вещественных тел. Специфическая характеристика элементарных частиц – четность – это квантовое число, определяющее симметрию волновой функции относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция не меняет знака, то ее четность положительна, если меняет знак – отрицательна. Из квантовой механики следует закон сохранения четности: при всех превращениях системы частиц четность состояния не изменяется. Сохранение четности связано со свойством зеркальной симметрии пространства и указывает на инвариантность законов природы при замене правого левым и наоборот. Однако в слабых взаимодействиях закон сохранения четности может нарушаться, что подтвердилось экспериментально при исследовании К-мезонов (мезоны – нестабильные элементарные частицы различных масс, обладающие целочисленным спином) в 1956 г. В то же время 19 закон сохранения четности электромагнитного взаимодействий. выполняется для сильного и Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. В частности, сравнительно недавно сообщалось о том, что обнаружена еще одна частица. Вместе с обнаружением новых элементарных частиц продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы служить составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками (кварки – микроскопические частицы со спином, элементарные составляющие всех адронов, баринов и мезонов. В пределах точности современного эксперимента – точечные, бесструктурные образования, менее 10-16 см), была высказана в 1964 г. американскими физиками М. Гелл-Маном и Дж. Цвейгом, удостоенных Нобелевской премии 1969 г. В основу модели было положено представление о том, что мезоны образуются из пары кварк–антикварк, а барионы из трех кварков. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные заряды, спин 1/2, (кварки – фермионы) и ряд других квантовых чисел. Такая особенность необычна и удивительна, поскольку до сих пор никто не обнаружил частиц с такими зарядами. Вначале кварки были гипотетическими элементами, удобными для описания адронов (сильновзаимодействующие элементарные частицы). В последующие годы их существование было подтверждено экспериментально. В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель оказалась весьма плодотворной – они позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц. От других элементарных частиц кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они не существуют, хотя имеются четкие свидетельства их существования в связанном состоянии. Эта особенность кварков связана со спецификой их взаимодействия, порождаемого обменом особыми частицами – глюонами. Это безмассовые частицы со спином 1. Существует 8 глюонов, отличающихся только цветом. В адронах кварки взаимодействуют посредством обьмена глюонами. При обмене глюонами изменяется цвет кварков, остальные их свойства остаются без изменения. Силы притяжения между кварками не ослабляются с увеличением расстояния, поэтому для отделения кварков друг от друга требуется бесконечная энергия. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки внутри адрона оказываются практически свободными. Такое свойство называют удержанием цвета. В связи с этим говорить о массе кварков, как собственно элементарных частиц, затруднительно. Поэтому для кварков используют понятие эффективной массы, которая позволяет сравнивать их между собой. Теоретически обоснованные и экспериментально обнаруженные частицы, составляющие основу материального мира вместе с переносчиками сильного и слабого взаимодействий, позволили построить так называемую стандартную модель. В качестве фундаментальных частиц стандартная модель отбирает 12 фермионов (шесть кварков и шесть лептонов) и 4 бозона (фотон, 20 глюоны и промежуточные векторные бозоны – переносчики слабых взаимодействий). Дополнительно вводят гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия, которые имеет спин 2 или 0 и распространяется со скоростью света. Гравитон не обнаружен экспериментально, однако без него не удается создать непротиворечивую теорию. Итого, в основе мироздания лежат 17 фундаментальных частиц. Единая теория электрослабых взаимодействий является частью общего замысла, основанного на единстве всех видов взаимодействий. Существует идея объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий в одно фундаментальное, которое характеризовалось бы одной безразмерной константой. Такое объединение называется Великим. Возможным развитием моделей Великого объединения является единое описание всех взаимодействий, включая гравитационное. Такая теория означала бы суперобъединение, из которого получились бы все известные поля в результате последовательного применения преобразования суперсимметрии. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ МИКРОМИРА Современные ускорители. Одним из основных технических средств экспериментального исследования свойств объектов микромира являются ускорители заряженных частиц. Полученные в ускорителе управляемые пучки частиц – подходящий инструмент для проведения операций внутри атомов и атомных ядер, для исследования свойств и структуры элементарных частиц. Для подобных исследований нужна энергия ускоренных частиц в десятки, сотни и даже в тысячи гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 109 эВ). В этой связи область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий.. Возможно, новые знания свойствах исследуемых элементарных частиц позволят создать новую энергетику XXI в. В современных ускорителях вместо неподвижной мишени часто используется встречный ускоренный пучок частиц. Подобные ускорители на встречных пучках называются коллайдерами. К настоящему времени построено несколько коллайдеров: в США, Японии, Германии и в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии. В Женеве планируется завершить примерно через 10 лет строительство самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц – большого адронного коллайдера – в 27километровом подземном тоннеле. Физики надеются, что при энергиях сталкивающихся частиц порядка 10 ТэВ (1ТэВ = 1012 эВ) можно получить важные сведения о глубинных процессах. На таком гигантском ускорителе и размеры детекторов для регистрации частиц поражают воображение. Один из них, самый крупный, представляет собой сложнейшее в техническом исполнении устройство цилиндрической формы длиной 26 и диаметром 20 м, массой около 7 тыс. т. Его разработкой занимается международная группа разработчиков (примерно 1,5 тыс. человек) из трех десятков стран: США, России, Японии, Франции, Англии и др. Детектор в рабочем режиме будет 21 выдавать поток информации по объему сравнимый с циркулирующей сегодня во всех европейских компьютерных сетях информацией. Структурная нейтронография. Стремясь проникнуть в глубь материи и изучить ее структуру, исследователи создавали все более совершенные приборы и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил «увидеть» форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее деформацией под действием внешних условий, например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно были созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения свойств вещества, основанный на рассеянии нейтронов (характерная длина волны – порядка 0,03 нм). Проходя через вещество, нейтроны испытывают дифракцию в результате рассеяния их на отдельных атомах. Структурная нейтронография – одно из крупнейших достижений современного естествознания, ибо позволяет проследить за поведением каждого атома. Это открывает широкие возможности микроскопических исследований свойств объектов живой и неживой приборы. Общие замечания о концепциях микромира. Концепции теории микромира, основанные на квантовой механике, на первый взгляд являются сильно отличающимися от концепций, используемых в теории макромира. Поэтому общим утверждением является утверждение о «неизбежности странного мира», когда речь заходит о микромире. Любопытна, однако, сама возможность понимания таким макроскопическим существом, каким является человек с его макроскопическим же мозгом, этого «странного мира». Перечислим еще раз эти концепции. Это концепция кванта действия как мельчайшей, далее неделимой единицы действия. Это концепция корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой микрочастицы обладают волновыми свойствами и математически описываются волновой функцией, позволяющей вычислять вероятности тех или иных значений физических величин, характеризующих микрочастицы. Это концепция дополнительности, говорящая о существовании у микрочастиц дополнительных характеристик, так что одновременно они существовать не могут, хотя в разные моменты времени могут наблюдаться. Это концепция индетерминизма, утверждающая наличие объективной случайности в микромире. Наконец, это зависимость существования определенных значений дополнительных величин от наблюдателя и производимых им измерений. Микромир построен из элементарных частиц. Фундаментальными частицами являются кварки и лептоны, взаимодействия между которыми описываются силами, существование которых обусловлено векторными калибровочными частицами – фотонами, промежуточными векторными бозонами и глюонами. Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света). 22 Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью. Прибор, исследующий реальность, влияет на нее. Точное измерение возможно только в потоке частиц, но не одной частицы. Особую роль в микромире играет вакуум, который в отличие от пустоты в классическом макромире обладает рядом новых свойств: колебаниями вакуума, разной симметрией и т.п., так что можно говорить о возможном существовании разных вакуумов. 1.2. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ Понятие мегамира. Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются световыми годами, а время существования объектов – миллионами и миллиардами лет. Основной чертой, определяющей принадлежность объекта к мегамиру, является использование общей теории относительности (ОТО) для описания его движения и существования. Такими являются звезды и их объединения – галактики. Часто к мегамиру относят и элементы звездных систем, т.е. планеты, кометы и др. Основные концепции космологии. Вселенная – самая крупная материальная система. Ее происхождение интересовало людей еще с древних времен. Вначале Вселенная «безвидна и пуста» (Быт.,1,2) – так сказано в Библии. Вначале был вакуум – уточняют современные физики. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ждет ее в будущем? Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи? На эти другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания ХХ в. не позволяют дать исчерпывающие ответы. Тем не менее, к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя провести контрольных экспериментов. Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет. Происхождение Вселенной. Все наши знания о Вселенной происходят из наблюдений. Единственным источником информации является свет, пришедший из дальних миров. Вселенная – место вселения человека, 23 доступное эмпирическому наблюдению. Вселенную в целом изучает космология (т.е. наука о Космосе). Слово это не случайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность Хаосу – «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого. Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип). Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения. К Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения. Благодаря широкому распространению системных идей, а в недавнее время и представлений о самоорганизации открытых систем сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии как науки о Вселенной как едином целом. Мы коснемся здесь в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей. Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Поэтому космология связана с общей теорией относительности, поскольку во Вселенной приходится иметь дело с огромными расстояниями, скоростями и огромными массами. Теория тяготения (общая теория относительности). Современная физическая теория пространства, времени и тяготения создана А. Эйнштейном в 1916 году под названием «Общая теория относительности». Сегодня этот термин постепенно исчезает из литературы. Общую теорию относительности, 24 как правило, называют теорией тяготения. В этой теории А. Эйнштейн расширил принцип относительности и распространил его на неинерциальные системы. В основе этого лежал известный еще в классической механике факт пропорциональности инертной и гравитационной масс. А. Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности: силы инерции в ускоренной системе отсчета эквивалентны гравитационному полю. Экспериментальным подтверждением этого является тот факт, что не обнаружено различие между гравитационной и инертной массой. В противном случае наблюдатель мог бы выяснить, находится он в поле силы тяжести Земли или же ускоряется в космическом пространстве. Таким образом, принцип эквивалентности требует, чтобы mи = mг. Равенство масс означает, что действие тяготения и изменение энергии описывают одно и то же явление. А. Эйнштейну удалось показать, что математическое оформление принципа эквивалентности приведет к искривленному четырехмерному пространству–времени, так называемому пространству–времени Минковского. Это означает, что в трехмерном пространстве геометрия не будет евклидовой, а время в разных точках будет течь по-разному. Таким образом, в теории тяготения Эйнштейна истинное гравитационное поле является не чем иным, как проявлением искривления четырехмерного пространства–времени. Пространство–время искривляют массы, создающие поле тяготения. В отсутствие тяготения движение тела по инерции изображается прямой линией, или на математическом языке экстремальной (геодезической) линией. В поле тяготения все тела также будут двигаться по геодезическим линиям, но искривленным. Наблюдатель воспримет это движение как движение по искривленным траекториям в трехмерном пространстве с переменной скоростью. Поэтому искривление траектории и закон изменения скорости – это свойства пространства–времени, свойства геодезических линий в нем. При таком подходе поле тяготения есть отклонение свойств пространства–времени от свойств плоского (неискривленного) пространства–времени в релятивистской механике (специальной теории относительности). Вторая идея, лежащая в основе теории тяготения: искривление пространства–времени определяется не только массами вещества, слагающего тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в системе. Следовательно, тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и напряжений в телах, от электромагнитного поля и всех других физических полей. Наконец, в теории тяготения обобщается вывод релятивистской механики о конечной скорости распространения всех взаимодействий. Изменения гравитационного поля распространяются в вакууме со скоростью света. Основной задачей теории тяготения является определение гравитационного поля, в теории А. Эйнштейна это соответствует нахождению взаимосвязи пространства и времени с характеристиками материи. Внешне уравнения подобны уравнениям классической механики для потенциала гравитационного поля. Однако, у Эйнштейна они нелинейны, значит, не удовлетворяют принципу суперпозиции. Физически это означает 25 гораздо более сложную связь между материей и пространством. Материя создает искривленное пространство–время, которое в свою очередь влияет на движение материи, создающей это искривление. В случае слабых гравитационных полей пространство мало отличается от евклидового, и уравнения Эйнштейна переходят в ньютоновские. Космологические модели Вселенной Космологическая модель А. Эйнштейна – А. Фридмана. Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917 г. в качестве следствия его формулировки ОТО. Эйнштейн показал, что ОТО однозначно объясняет возможность существования статической Вселенной, которая не изменяется со временем. Как мы сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех ОТО. Этот парадокс, повидимому, был связан с тем, что еще из представлений ученых Древней Греции и Египта утвердилось мнение о незыблемости, стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердила это. Обосновывая в 1917 г. ОТО, А. Эйнштейн ввел понятие космологического члена λ (постоянной) как раз для обоснования статичности его модели Вселенной. Космологическая постоянная была не чем иным, как абсолютно субъективной подгонкой к тому объективному решению, которое ему хотелось получить. Этот «коэффициент» позволил его уравнениям дать желаемый А. Эйнштейну результат. Однако уже в 1922 г. А. Фридман (1888–1925) показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, т.е. развитие Вселенной. А. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться или сжиматься. И Эйнштейн был вынужден публично согласиться с выводами Фридмана. По свидетельству Г. Гамова А. Эйнштейн считал «введение космологической постоянной самой грубой ошибкой своей жизни». Модель расширяющейся Вселенной. Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенной на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения. В основе этой модели лежат два предположения: (1) свойства Вселенной одинаковы во всех точках (однородность) и направлениях (изотропность): (2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, называется релятивистской. Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом ее этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства–времени. 26 Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: (1) принцип относительности, гласящий, что во всех инерциальных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга: (2) экспериментально подтвержденное постоянство скорости света. Из теории относительности следовало, что искривление пространства не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. В результате решения космологических уравнений А. Фридман впервые теоретически доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может находиться в стационарном состоянии – она должна либо расширяться, либо сужаться. Вскоре теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других галактик. Оказалось, что по смещению световых лучей к красному концу видимого спектра можно определить скорость движения объекта относительно наблюдателя. В более общем виде – это так называемый эффект Доплера при распространении волны любой природы и движении источника этой волны относительно наблюдателя. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас – то к красному. При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат: у всех галактик наблюдали красное смещение! (Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра – линии смещаются к его красному концу). Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость «разбегания» галактик – больше для более удаленных галактик (что само по себе чрезвычайно удивительно, и до сох пор причина этого не выяснена). Американский астрономом Эдвин Хаббл (1889–1953) установил в 1929 г. закон: V = Hr, где V – лучевая скорость, r – расстояние до объекта, H – постоянная Хаббла, равная ~ (3–5) 10-18 с-1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной. Из H можно определить возраст Вселенной (t ~ 1/H), который оценивается в 10–20 миллиардов лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли оценивается в 5 миллиардов лет. Таким образом, красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарной области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек (1 парсек равен 3 светового года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год) на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то 27 же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь только теоретической гипотезой. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек. При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет, а это означает, что вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была не меньше плотности атомного ядра и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции Большого Взрыва. Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 10 26 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет. Итак, теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот результат был подтвержден наблюдениями Э. Хаббла. Теория тяготения предсказала искривление лучей света при прохождении вблизи тяжелой массы вдвое большее, нежели следовало из механики И. Ньютона. Этот результат был подтвержден наблюдениями с высокой точностью. Также зафиксировано увеличение длительности пребывания луча света в поле тяготения, как это следует из формул теории тяготения. Для луча света вблизи Солнца эта величина составила 0,0002 секунды. Наконец, подтвержден на примере Меркурия медленный поворот его эллиптической орбиты, предсказанный теорией для всех планет солнечной системы. Модель Большого взрыва (Big Bang). Составной частью модели расширяющейся Вселенной является теория Большого Взрыва, которая смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15–20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 г. нашим соотечественником Г.А. Гамовым (1904–1968). Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, 28 замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Возвращаясь к сгустку перед БВ отметим, что неизвестно достоверно, как этот сгусток образовался. Из чего? И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее, огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычно быстрому его расширению – Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10–14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва. Заметим, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире. Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло быть создано из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям, является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения. Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество. Рождение Вселенной из «ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю. Флуктуации представляют собой появление виртуальных частиц, так называемых квантов релятивистских волновых полей, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Виртуальные частицы возникают в промежуточных состояниях процессов перехода и взаимодействия частиц. Они имеют те же квантовые числа, что и обычные реальные частицы, но для них не выполняется релятивистское соотношение между энергией и импульсом. Возможность такого нарушения вытекает из соотношения неопределенностей между энергией и временем и может происходить лишь на малом промежутке времени, что препятствует экспериментальной регистрации виртуальных частиц. Благодаря флуктуациям, физический вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах. Физический вакуум рассматривается как особый вид вещества, состоящий из виртуальных частиц и ответственный за квантовые и релятивистские свойства всех вещественных тел. 29 Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из «возбужденного вакуума». На этом удивительное в современной физике не кончается. Излагая суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы пространство и время». Перенося этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Особо отметим, что для различных моделей Вселенной, общим является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей. Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. “Разбегание” галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие. Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует какихлибо выделенных точек и направлений, т.е. ее свойства не зависят от направления. Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной. Последние утверждения часто называют космологическими постулатами. К ним добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства–времени и связи этой кривизны с плотностью вещества. Из теории горячей Вселенной Г.А. Гамова, или теории БВ, следует, что пространственно–временные свойства Вселенной с большой степенью точности описываются одно из трех моделей Фридмана – открытой, замкнутой или плоской. Если пространство Вселенной имеет положительную кривизну (риманово пространство), то такая Вселенная будет замкнутой, она расширяется до определенного размера, а затем начнет сжиматься. Вселенная с отрицательной кривизной (геометрия Н.И. Лобачевского) будет открытой, ее судьба – постоянное расширение. Если же Вселенная плоская, т.е. обладает нулевой кривизной и евклидовой геометрией, то она также будет открытой с постоянным расширением. Тип геометрии пространства, а, следовательно, и судьба Вселенной зависят от средней плотности материи. Вселенная окажется закрытой, и со временем будет сжиматься, если средняя плотность превосходит критическую величину. В противном случае при величине плотности ниже критической открытую Вселенную ожидает постоянное расширение. По современным оценкам мы живем в открытой Вселенной, однако есть основания считать, что средняя плотность материи занижена. 30 Существует проблема так называемой скрытой материи, масса которой не учитывается в расчетах. Дело в том, что видимые, т.е. излучающие или отражающие объекты не исчерпывают всю материю Вселенной. Галактики в скоплениях вращаются быстрее, чем предсказывает теория, особенно звезды на краях скопления. Есть предположение, что их удерживает невидимая материя. Многие астрономы полагают, что невидимое вещество может существовать в виде планет типа Юпитера, либо множества черных карликов. Кроме того, темную материю могут составлять и элементарные частицы. Поэтому окончательный вывод о характере эволюции Вселенной, открытая она или закрытая, еще не сделан. Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся на том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель горячей Вселенной, впервые предложенная Г.А. Гамовым, впоследствии была названа стандартной. Стандартная модель эволюции Вселенной С точки зрения теории Вселенная должна была родиться в сингулярном состоянии с бесконечно большими плотностями и температурой в некоторый начальный момент времени (модель Большого Взрыва). При последующем расширении ее температура должна была падать до современных значений. Многие выводы из теории горячей Вселенной оказались несовместимыми с данными наблюдений, хотя в целом она остается основной космологической теорией. Часть проблем удалось решить в рамках теории раздувающейся Вселенной (РВ), согласно которой Вселенная в начальной стадии находилась в вакуумоподобном состоянии, или состоянии «ложного вакуума» с большой плотностью энергии. Эта стадию называют стадией раздувания или инфляции. Стадия инфляции продолжалась примерно 10-35 секунды при температурах свыше 1028 градусов Кельвина. Вспомним, что физический вакуум это наинизшее состояние всех полей, в нем нет вещества и излучения, но имеются возникающие и уничтожающиеся виртуальные частицы. «Ложным вакуумом» назвали возбужденное состояние вакуума, при котором вместо сил гравитационного тяготения возникли силы гравитационного отталкивания. Именно эти силы вызвали расширение Вселенной с высочайшей скоростью. Такой тип раздувания, при котором расширение носит характер взрывного, назвали инфляцией. В конце этого периода плотность энергии поля стала переходить в плотность массы частиц и античастиц, движущихся с огромными (ультрарелятивистскими) скоростями. Несмотря на свою незавершенность, инфляционная модель объясняет однородность и изотропность Вселенной и образование структур галактик и их скоплений из малых первичных возмущений плотности. В этой стадии могли родиться гравитоны. Существовало лишь одно фундаментальное взаимодействие – супергравитация, остальные появились позже. Следующий этап рождения Вселенной называют эрой Великого объединения. Температура снизилась до 1027 градусов Кельвина. Во Вселенной имелось большое количество очень массивных частиц, называемых X– и Y–бозонами, осуществлявших единое 31 сильное и электрослабое взаимодействие. С участием этих частиц кварки могли превращаться в лептоны, а лептоны – обратно в кварки. Предполагается, что количество частиц и античастиц было совершенно одинаковым. По мере снижения температуры в расширяющейся Вселенной X– и Y–бозоны, а также их античастицы, стали распадаться. В результате распада появился некоторый избыток частиц по сравнению с античастицами. По мере остывания Вселенной античастицы аннигилировали с частицами, большая часть вещества исчезла, т.е. превратилась в излучение. В конечном счете, это излучение «остыло» и превратилось в фотоны. Спустя 10-12 секунды после Большого Взрыва температура превышала 1015 градусов Кельвина, а вещество состояло в основном из кварков. В этих условиях пары адронов (протонов, нейтронов, мезонов и др.) не могли существовать в обычном виде. При охлаждении ниже 1015 К произошло отделение слабого взаимодействия от электромагнитного. Промежуточные векторные бозоны, кварки и лептоны приобрели массу, а фотон остался безмассовым. В результате появились известные нам частицы – электроны, нейтрино, фотоны. Следующий фазовый переход произошел спустя 10-3 секунды, когда температура снизилась до 1013 К. Кварки начали объединяться в адроны (протоны, нейтроны и другие, сильно взаимодействующие частицы) Через 0,2 секунды при температуре 2.1010 градусов электронные нейтрино перестали взаимодействовать с частицами. Вселенная для них стала прозрачной, образовавшиеся к тому времени нейтрино остались навечно. Подобно реликтовым фотонам они постепенно теряют свою энергию, т.е. охлаждаются. В конце первой секунды температура снизилась до 1010 градусов, все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами, нейтронами вместе с электронами, нейтрино и фотонами. Для образования сложных ядер температура еще оставалась достаточно высокой. Через минуту, однако, температура снизилась примерно в 100 раз, протоны и нейтроны стали объединяться в основном в ядра гелия. Через несколько минут этот период закончился, поскольку температура упала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Образовавшаяся плазма состояла из 10% ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Именно последние образовали водород, без которого не светили бы звезды, включая Солнце, не было бы воды и жизни. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет стали появляться атомы водорода и гелия среди водородно-гелиевой плазмы. До этого охлаждающаяся и расширяющаяся Вселенная состояла главным образом из электромагнитного излучения с примесью нейтронов, протонов, электронов, нейтрино и наилегчайших ядер атомов. Горячая плазма находилась в равновесии с излучением вплоть до температур около 4000 градусов Кельвина. При этой температуре началась рекомбинация протонов и электронов с образованием водорода и гелия. Равновесие с излучением нарушилось – его кванты уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Излучение обособилось, его температура снижалась и к нашей эпохе составила 3 градуса Кельвина. Реликтовое фоновое излучение предсказал в 1953 г. Г.А. Гамов, а в 1965 г. оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Уилсоном, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое излучение – это фоновое изотропное излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Это явление находится в полном соответствии со Стандартной моделью эволюции Вселенной и моделью горячей Вселенной. Первоначально почти однородная плазма должна была распадаться на отдельные сгустки, так как материя не могла быть распределена с постоянной плотностью. В дальнейшем из сгустков образовались скопления галактик, под действием гравитационных сил с отдельных местах сжатие преобладало над расширением, и из 32 скоплений возникли протогалактики, внутри них – протозвезды. Образование звезд из протозвезд – диффузной межзвездной среды – продолжается и в настоящее время. Вокруг звезд происходило и формирование планетных систем и т.д. В результате эволюции Вселенной возникли все существующие формы материи, включая живые и разумные существа. Оказалось, что универсальные физические константы (это константы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий) имеют значения, обеспечивающие возникновение жизни на нашей планете. Расчеты показывают, что даже незначительные отклонения известных постоянных воспрепятствовали бы появлению тяжелых металлов, галактик и живых существ. Разумеется, речь идет о водно-углеродной форме жизни. Этот факт носит название антропного принципа. Антропный принцип. Антропный принцип впервые в 1958 году был предложен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 году, но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах. Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя. Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Как мы уже отмечали, фундаментальные свойства мира количественно выражается через фундаментальные постоянные, и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной и самой жизни во Вселенной, естественно, в нашем понимании. Таким образом, антропный принцип, по сути, превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного в центральный, приоритетный. Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна. В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи – кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии пребывала Вселенная в первые 10 мкс после Большого Взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов. По мере расширения и охлаждения Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается. Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры. Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Самым главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над излучением. Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, 33 минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик. Разумеется, в стандартной гипотезе имеется еще немало неясного и даже спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание» их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрий в процессе образования все более новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим, однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд. лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрий между различными физическими взаимодействиями. На первоначальном этапе эволюции Вселенной ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия – со слабыми взаимодействиями. Только вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и гравитационными силами стало возможным образование небесных тел, галактик и других космических систем. В свою очередь гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений. Нарушение симметрии между электромагнитными силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, структур и систем, которые составляют окружающий нас видимый мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро- и макрообъектов, но также последующая взаимосвязанная эволюция микроскопической и макроскопической ветвей развития. Следовательно, микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладывается в рамки космической и земной эволюции. Главный итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса ее расширения. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур. Эволюция и строение галактик. Мы знаем, что наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики, и Солнце не только обеспечивают нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, галактики являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной – водорода. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются процессах атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Наше Солнце как обычная звезда «производит» только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды «производят» углерод – главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А зачем нужна Земля? Она 34 производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего нужен человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним. Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной – это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, не отрываясь от реальности нашего бытия. Вопрос об образовании и строении галактик – следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной – едином целом, но также и космогония – область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию). Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильной формы. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Наша галактика называется Млечный путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце. Ближайшая к нашей галактике (которую световой луч достигает за 2 млн. лет) – «туманность» Андромеды. Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях. А в 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик, и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне. Звезды изучает астрономия – наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в ХХ в. свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений – основного своего метода исследований: телескоповрефлекторов, приемников излучения (антенн) и т.п. В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины. Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика – часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т.д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей. Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущих на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии. Одни из основных методов астрофизики – спектральный анализ. 35 Строение и эволюция звезд. Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования солнечной системы, выдвинутой еще французским физиком и математиком Пьером Лапласом и развитой немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с ней звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности. Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел и привело Виктора Амбарцумяна к гипотезе о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц – гиперонов), находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации. Открытие В. Амбарцумяном звездных ассоциаций очень молодых звезд, стремящихся друг к другу, было понято как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания. Модель расширяющейся Вселенной встретилась с несколькими трудностями доказательства, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого Взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должны падать, Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения в 1939 г. родилась гипотеза о наличии во Вселенной невидимых «черных дыр», которые хранят 9/10 массы Вселенной (т.е. столько, сколько недостает). Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы Развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, и, стало быть, ее невозможно обнаружить. В черной дыре пространство искривляется и время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предположено, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии. Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды, и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей силы – нейтрино. Звезды – это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Тем самым решаются сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр – переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно, из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов). Существуют очень крупные звезды – красные гиганты и сверзгиганты – и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км); они называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов. В 1967 г. были открыты пульсары – космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) 36 периоды импульсов – 0,03-4 секунды, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд. К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Влияние солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия). Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы, рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический импульс. В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» – звезду, имеющую относительно высокую температуру поверхности (7–30 тыс. К) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца. Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделает энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурс, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность. Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т.е. образуется «черная дыра», переходящая затем в «белую дыру». Процесс эволюции звезд представлен на схеме: Обычные звезды Звездные Перемен. Нестац. ассоц-и звезды звезды Белый карлик Нейтрон. Новые и сверхновые звезды звезды Красные гиганты «Черная дыра» Газовая туманность «Белая дыра» Солнечная система и ее происхождение. Солнце – плазменный шар (плотность 1,4 г/см3, с температурой поверхности 6 тыс. К) в атмосфере которого – короне – происходят вспышки – протуберанцы. Излучение Солнца – солнечная активность – имеет цикл 11 лет. Источником солнечной энергии, по-видимому, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел Артур Эддингтон. Немецкий физик Ганс Бете (Нобелевская премия 1967 г.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца. Скорость движения Солнца вокруг оси галактики 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 1890 млн. лет. Ближайшие к Солнцу звезды α Центавра и Сириус. Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконцентрировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Из гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альвена, усовершенствованная английским астрономом Ф. Хойлом, Солнце зародилось в недрах туманности. Солнце быстро вращалось, 37 и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента. Известна также гипотеза образования планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная Отто Юльевичем Шмидтом. Солнечная система состоит из девяти планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) почти по круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км (107 диаметров Солнца). Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ, а атмосфере Юпитера – аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения. Строение и эволюция Земли. Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 621 т. Плотность 5,5 г/см3.Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/с. Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-8- км, мантии и ядра. В атмосфере Земли преобладает азот и кислород. Атмосферу разделяют на топосферу (до 9-17 км) – «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) – «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеяния, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого. Исследования показывают, что полюса Земли менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после великого оледенения. Успехи физики ХХ в. способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи – атом – имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. В 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основал геохимию – науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции. В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной, Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало оболочке и океанам. В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из ичертаний континентов, что в карбоне существовал единый массив суши, названный им Пангеей. (греч. «вся земля»). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки; 85 млн. лет назад Северная Америка отделилась от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией, и появились Тибет и Гималаи. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии. 38 Как мы увидим в дальнейшем, Земля является фабрикой по производству (причем безотходному) сложных соединений, минералов и живых тел. Вселенная в широком смысле – это среда нашего обитания. Поэтому важное значение для практической деятельности человека имеет то обстоятельство, что во Вселенной господствуют необратимые физические процессы, что она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные и даже космические масштабы. И для того, чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они могут внести в состояние среды нашего обитания, в том числе и космической, мы должны изучать не только земные явления и процессы, но и закономерности космического масштаба. Общий взгляд на концепции физики. Основной концепцией современной физики является концепция существования трех миров – макромира, микромира и мегамира. Мегамир – это мир галактик, мир на самых больших расстояниях. Его свойства описываются на языке общей теории относительности. Вселенная расширяется, и ее пространство-время является искривленным, описывается той или иной моделью Фридмана. Ранняя Вселенная для своего понимания требует соединения общей теории относительности и квантовой теории. Время во Вселенной имеет начало и, возможно, конец. Наблюдаемая Вселенная конечна как во времени, так и в пространстве, и ее история представляет собой эволюцию от самого простого к сложному, сначала вакуум, затем возникают элементарные частицы, затем атомные ядра, потом атомы, молекулы. Первоначальная Вселенная характеризуется космологической постоянной и излучением. Галактики, звезды, планеты возникают на поздних стадиях ее эволюции. Наиболее сложная структура во Вселенной – мозг человека - появляется на самой последней ее стадии. Однако антропный принцип в космологии указывает на возможность «обратного» воздействия результата на причину. II. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ Понятие сложной системы. Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности во Вселенной, и квантовая механика, раскрывающая законы микромира, нелегки для понимания, и, тем не менее, они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношения между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам. Однако, помимо простых, существуют сложные системы, которые состоят из большого числа переменных и, стало быть, большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее эмерджентных свойств, т.е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием эффекта целостности системы. Подобные сложные системы изучает, например, метеорология – наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, 39 процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, чем можно точно определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, а предсказать погоду на завтра удается не всегда? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними. Таблица разделения систем по предмету исследования Простые Устойчивые Закрытые Без обратной связи Неживые Растительные Неразумные Сложные Неустойчивые Открытые С обратной связью Живые Животные Разумные Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наибольший интерес представляют системы с так называемой обратной связью. Это еще одно важное понятие современного естествознания. Понятие обратной связи. Если поведение объекта (поведением будем называть любое изменение объекта по отношению к окружающей среде) зависит от воздействия на него, то говорят, что в такой системе имеется обратная связь – между воздействием и реакцией на него. Поведение системы может усилить внешнее воздействие: это называется положительной обратной связью. Если оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Особый случай – гомеостатические обратные связи, которые сводят внешнее воздействие к нулю. Пример: температура тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям. Таких механизмов в живом организме огромное количество. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы. В широком смысле понятие обратной связи, по словам Н. Винера (1894– 1964) «означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается, как вход…Положительная обратная связь прибавляется к входным сигналам, она не корректирует их. Термин “обратная связь” применяется также и, в более узком смысле, для обозначения того, что поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к некоторой специфический цели. В этом случае обратная связь отрицательна, т.е. сигналы от цели используются для ограничения выходов, которые в противном случае шли бы дальше цели». В любом нашем движении с определенной целью участвуют механизмы обратной связи, Мы не замечаем их действия, потому что они включаются 40 автоматически. Но иногда мы пользуемся ими сознательно. Скажем, один человек предлагает место встречи, а другой повторяет: да, мы встречаемся тамто и во столько-то. Это обратная связь, делающая договоренность более надежной. Механизм обратной связи и призван сделать систему более устойчивой, надежной и эффективной. Механизм обратной связи делает систему принципиально иной, повышая степень ее внутренней организованности и давая возможность говорить о самоорганизации в данной системе. Итак, все системы можно разделить на системы с обратной связью и без таковой. Наличие механизма обратной связи позволяет считать, что система преследует какие-то цели, т.е. что ее поведение целесообразно. Понятие целесообразности. Активное поведение системы может быть случайным или целесообразным. Н. Винер считал, что если «действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторой цели, т.е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве или во времени с некоторым другим объектом или событием. Нецелесообразным поведением является таковое, которое нельзя истолковать подобным образом». Для обозначения машин с внутренне целенаправленным поведением Н. Винер ввел термин «сервомеханизмы». Например, торпеда, снабженная механизмом поиска цели. Всякое целенаправленное поведение требует отрицательной обратной связи. Оно может быть предсказывающим и непредсказывающим. Предсказание может быть 1-го, 2-го и последующих порядков в зависимости от того, на сколько параметров распространяется предсказание. Чем их больше, тем совершеннее система. Понятие целесообразности претерпело длительную эволюцию. Во времена господства мифологического мышления деятельность любых, в том числе неживых, тел могла быть признана целесообразной на основе антропоморфизма, т.е. приписывания явлениям природы причин по аналогии с деятельностью человека. Аристотель в числе причин функционирования мира, наряду с материальной, формальной, действующей, назвал и целевую. Религиозное понимание целесообразности основывается на представлении о том, что Бог создал мир с определенной целью, и, стало быть, мир целесообразен. Научное понимание целесообразности строилось на обнаружении в изучаемых предметах объективных механизмов целеполагания. В Новое время наука изучала простые системы, потому она скептически относилась к понятию цели. Положение изменилось в ХХ в., когда естествознание перешло к изучению сложных систем с обратной связью, так как именно в таких системах существует внутренний механизм целеполагания. Наука, которая первой начала исследование подобных систем, получила название кибернетики. 41 Кибернетика (от греч. – искусство управления) – наука об управлении, связи и переработке информации. Кибернетика (от греч. – кормчий) изучает переработку информации и поведение сложно-динамических систем с обратной связью. Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и ее интересовал целый класс систем, как живых, так и неживых, в которых существовал механизм обратной связи. Основателем кибернетики по праву считается американский математик Норберт Винер (1894–1964), выпустивший в 1948 г. книгу, которая так и называлась «Кибернетика». Оригинальность этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру (строение), а результат работы данного класса систем. В кибернетике впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, по словам Н. Винера, «которое выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но для которого мы не обязательно располагаем информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции». В кибернетике системы изучаются по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выполняют. Наряду с субстратным (вещественным) и структурным подходом кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова. «Если XVII столетие и начало XVIII столетия – век часов, а конец XVIII и всё XIX столетие – век паровых машин, то настоящее время есть век связи и управления» (Н. Винер). В изучение этих процессов кибернетика внесла значительный вклад. Она рассматривает способы связи и модели управления, и в этом исследовании ей понадобилось еще одно понятие, которое было давно известным, но впервые получило фундаментальный статус в естествознании – понятие «информация» (от лат. informatio – ознакомление, разъяснение) как меры организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности. Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе кибернетики – информатики (название произошло из соединения слов «информация» и «математика»). Информация – в объективном смысле – мера организованности системы. Информация призвана компенсировать рост энтропии, поэтому ею можно дополнить закон неограниченного роста энтропии и превратить второе начало термодинамики в закон сохранения энтропии и информации. Таким образом, информационный подход позволяет единым образом описать и неживую и живую природу. Информация может быть измерена количественно. Это значит, что любое сообщение отличается от других своим смыслом и порядком расположения символов. При передаче такой информации важно (при допустимых значениях ошибок) сохранить расположение символов. Этими вопросами занимается теория информации, или теория связи, которая была развита трудами 42 Шеннона, Винера, Колмогорова и др. Фактически – это прикладная теория вероятностей. Кибернетика выявляет зависимости между информацией и другими характеристиками систем. Например, гипотетическая работа «демона Максвелла» – существа, которое сулит получение энергии из ничего и, следовательно, нарушает второе начало термодинамики, позволяет установить обратно пропорциональную зависимость между информацией и энтропией. Возможно, в живых системах действуют аналоги таких «демонов» (на это могут претендовать, к примеру, ферменты). С повышением энтропии уменьшается информация (поскольку всё усредняется) и наоборот, понижение энтропии увеличивает информацию. Связь информации с энтропией свидетельствует и о связи информации с энергией. Энергия (от греч. energeia – деятельность) характеризует общую количественную меру различных видов движения и взаимодействия всех видов материи в механической, тепловой, электромагнитной, химической, гравитационной и ядерной формах. Информация характеризует меру разнообразия систем. Эти два фундаментальных параметра системы (наравне с ее вещественным составом) относительно обособлены друг от друга. Так, точность сигнала, передающего информацию, не зависит от количества энергии, которая используется для передачи сигнала. Тем не менее, энергия и информация связаны между собой. Винер приводит такой пример: «Кровь, оттекающая от мозга, на долю градуса теплее, чем кровь, притекающая к нему». Информация растет с повышением разнообразия системы, но на этом ее связь с разнообразием не кончается. Одним из основных законов кибернетики является закон необходимого разнообразия. В соответствии с ним эффективное управление какой-либо системой возможно только в том случае, когда разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой системы. Учитывая связь между разнообразием и управлением, можно сказать, что чем больше мы имеем информации о системе, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет этот процесс. ЭВМ и персональные компьютеры. Точно так же, как разнообразные машины и механизмы облегчают физический труд людей, ЭВМ и персональные компьютеры облегчают его умственный труд, заменяя человеческий мозг в его наиболее простых и рутинных функциях. ЭВМ действует по принципу «да – нет», и этого оказалось достаточно для того, чтобы создать вычислительные машины, хотя и уступающие человеческому мозгу в гибкости, но превосходящие его по быстроте выполнения вычислительных операций. Аналогия между ЭВМ и мозгом человека дополняется тем, что ЭВМ как бы выполняет роль центральной нервной системы для устройства автоматического управления. Введенное чуть позже в кибернетике понятие самообучающихся машин аналогично воспроизводству живых систем. И то, и другое есть созидание себя (в себе и в другом), возможное как в отношении машин, так и живых систем. Обучение онтогенетически (онтогенез – индивидуальное развитие организма от зарождения до смерти) есть то же, что и самовоспроизводство филогенетически (филогенез – процесс исторического развития мира организмов, их видов, родов, семейств, отрядов, классов типов, царств). 43 Как бы ни протекал процесс воспроизводства, по словам Н. Винера, «это – динамический процесс, включающий какие-то силы или их эквиваленты. Один из возможных способов представления этих сил состоит в том, чтобы поместить активный носитель специфики молекулы в частотном строении ее молекулярного излучения, значительная часть которого лежит, по-видимому, в области инфракрасных электромагнитных частот или даже ниже. Может оказаться, что специфические вещества вируса при некоторых обстоятельствах излучают инфракрасные колебания, которые обладают способностью содействовать формированию других молекул вируса из неопределенной магмы аминокислот и нуклеиновых кислот. Вполне возможно, что такое явление позволительно рассматривать как некоторое притягательное взаимодействие частот». Такова гипотеза воспроизводства Винера, которая позволяет предложить единый механизм самовоспроизводства для живых и неживых систем. Современные ЭВМ значительно превосходят те, которые явились на заре кибернетики. Еще 10 лет назад специалисты сомневались, что шахматный компьютер когда-нибудь сможет обыграть приличного шахматиста, но теперь он практически на равных сражается с чемпионом мира. Громадная скорость перебора вариантов (100 млн. в секунду, против 2 вариантов в секунду у человека) остро ставит вопрос не только о возможностях ЭВМ, но и о том, что такое человеческий разум. Два десятилетия назад предполагалось, что ЭВМ будут с годами все более мощными и массивными, но вопреки прогнозам крупнейших ученых были созданы персональные компьютеры, которые стали атрибутом нашей жизни. В перспективе нас ждет всеобщая компьютеризация и создание человекоподобных роботов. Надо, впрочем, иметь в виде, что человек не только логически мыслящее существо, но и творческое, и эта способность – результат всей предшествующей эволюции. Если же будут построены не просто человекоподобные роботы, но и превосходящие его по разуму, то это повод не только для радости, но и для беспокойства, связанного как с роботизацией самого человека, так и с проблемой возможного «бунта машин», выхода их изпод контроля людей и даже порабощения ими человека. Конечно, в ХХI в. это не более, чем далекая от реальности фантастика. Модели мира. Благодаря кибернетике и созданию ЭВМ одним из основных способов познания, наравне с наблюдением и экспериментом, стал метод моделирования. Применяемые модели становятся всё более масштабными: от моделей функционирования предприятия и экономической отрасли до комплексных моделей управления биогеоценозами, экологоэкономических моделей рационального природопользования в пределах целых регионов, до глобальных моделей. В 1972 г. на основе метода «системной динамики» Дж. Форрестера были построены первые так называемые модели мира, нацеленные на выработку сценариев развития всего человечества в его взаимоотношении с 44 биосферой. Их недостатки заключались в чрезмерно высокой степени обобщения переменных, характеризующих протекающие процессы; отсутствии данных об особенностях и традициях различных культур и т.д. Однако это оказалось очень многообещающим направлением. Постепенно указанные недостатки преодолевались по мере создания последующих глобальных моделей, ориентируясь на рассмотрение вопросов улучшения существующего эколого-экономического положения на планете. М. Месаровичем и Э. Пестелем были построены глобальные модели на основе теории иерархических систем, а В. Леонтьевым – на основе разработанного им в экономике метода «затраты – выпуск». Дальнейший прогресс в глобальном моделировании ожидается на путях построения моделей, все более адекватных реальности, сочетающих в себе глобальный, региональный и локальный моменты. Споры относительно эффективности применения кибернетических моделей в глобальных исследованиях не умолкают и поныне. Создатель метода системной динамики Дж. Форрестер выдвинул так называемый контринтуитивный принцип, в соответствии с которым сложные системы функционируют таким образом, что это принципиально противоречит человеческой интуиции, и таким образом машины могут дать более точный прогноз их поведения, чем человек. Другие исследователи считают, что «контринтуитивное поведение» свойственно тем системам, которые находятся в критической ситуации. Трудности формализации многих важных данных, необходимых для построения глобальных моделей, а также ряд других моментов свидетельствует о том, что значение машинного моделирования не следует абсолютизировать. Моделирование может принести наибольшую пользу в том случае, если будет сочетаться с другими видами исследований. Простираясь на изучение все более сложных систем, метод моделирования становится необходимым средством, как познания, так и преобразования действительности. В настоящее время можно говорить, как об одном из основных, о преобразовательной функции моделирования, позволяющего оптимизировать сложные системы. Преобразовательная функция моделирования способствует уточнению целей и средств реконструкции реальности. Свойственная моделированию трансляционная функция способствует синтезу знаний – задаче, имеющей первостепенное значение на современном этапе изучения мира. [Синтез – соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему)]. Прогресс в области моделирования следует ожидать не на пути противопоставления одних типов моделей другим, а на основе их синтеза. Универсальный характер моделирования на ЭВМ дает возможность синтеза самых разнообразных знаний, а свойственный моделированию на ЭВМ функциональный подход служит целям управления сложными системами. Неравновесные системы. Классическая физика подчеркивает устойчивость, постоянство окружающего нас мира. Сегодня очевидно, что это 45 справедливо лишь в редких случаях. Даже обобщенная с учетом положений квантовой механики и теории относительности динамика (наука о движении и его причинах) не делает различия между прошлым и будущим. Рассмотрим некоторые представления о возникновении в неживой природе порядка из хаоса, о направленности развития. Все процессы, протекающие в природе, могут быть разделены на ряд групп. Они могут быть равновесными или неравновесными. Если система находится в состоянии равновесия, т.е. не обменивается энергией, массой, зарядом с иными системами, то при неизменных внешних условиях такое состояние не меняется со временем. Однако это не является достаточным признаком равновесности. Если в самой системе существует перенос заряда, массы, энергии и т.п., то есть существуют градиенты (перепады) температуры, концентрации и др., состояние будет неравновесным. Пример таких неравновесных процессов – диффузия, теплопроводность, перенос электрического заряда. В равновесных системах градиенты температуры или концентрации отсутствуют. Под влиянием внешних воздействий система может переходить из одного равновесного состояния в другое, проходя через некоторые переходные состояния, не являющиеся равновесными. Такой переход будет обратимым, если его можно совершить в обратном направлении и при этом в окружающей среде не останется никаких изменений. В противном случае мы будем иметь дело с необратимым процессом. Обратимые и необратимые процессы различаются фундаментальным образом. В качестве примера необратимого процесса можно привести диффузию, приводящую, в простейшем случае, к однородному распределению массы. Примером обратимого процессы служат колебания математического маятника (при пренебрежении трением, другими потерями энергии). Именно необратимые процессы указывают направление течения времени. Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем. 1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т.п.) 2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории. 3. Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, ее энтропия уменьшается. 4. Наличие бифуркации – переломной точки в развитии системы. 5. Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10 -8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула были «информирована» о состоянии системы в целом. Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что можно представить в таблице: 46 Таблица Неравновесная область Равновесная область Система «адаптируется» к внешним условиям, Для перехода из одной структуры к другой изменяя свою структуру. требуются сильные возмущения или изменения граничных условий. Множественность стационарных состояний. Одно стационарное состояние. Чувствительность к флуктуациям (небольшие Нечувствительность к флуктуациям. влияния приводят к большим последствиям, внутренние флуктуации становятся большими) Неравномерность – источник порядка (все Молекулы ведут себя независимо друг от части действуют согласовано) и сложности. друга. Фундаментальная неопределенность Поведение системы определяют линейные поведения системы. зависимости. Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия – наиболее вероятному состоянию, достигаемому при стремлении энтропии к максимуму. Пример равновесной структуры – кристалл. К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т.е. системы, не получающей энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых. Изучение неравновесных состояний позволяет придти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку. Эволюция и ее особенности. Эволюция (от лат. evolitio – развертывание)– это представление об изменениях в природе и обществе, их направленности, порядке, закономерностях. В узком смысле – представление о медленных, постепенных количественных изменениях в отличие от революции. Идея эволюции появилась в естествознании в XIX в. в виде второго закона классической термодинамики. Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно уже древним грекам. И. Пригожин (1917–2003) и И. Стенгерс называют хаотическими все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно: детерминистично, т.е., зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий. «Экстраполяция динамического описания… имеет наглядный образ – это демон, вымышленный Лапласом и обладающий способностью, восприняв в любой данный момент времени положение и скорость каждой частицы во Вселенной, прозревать ее эволюцию как в будущем, так и в прошлом… В контексте классической динамики детерминистическое описание может быть недостижимым на практике, тем не менее оно остается пределом, к которому должна сходится вся последовательность все более точных описаний» – писали И. Пригожин и И. Стенгерс в книге «Порядок из хаоса». Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами 47 хаотических систем уже на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике. По мысли этих же авторов, «…модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас видим, лишь предельным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в черный ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости… Материя – более не пассивная субстанция, описываемая в рамках механистической картины мира, ей также свойственна спонтанная активность». В другой книге – «Время, хаос, квант» – И. Пригожин и И. Стенгерс писали: «Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим, т.е. «стрелу времени». «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения». Эволюция должна удовлетворять трем требованиям: 1) необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим; 2) необходимость введения понятия «событие»; 3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции. Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающие ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуаций, зависит порог устойчивости системы. Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В этой точке система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области неустойчивости, т.е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, изменением поведения системы. Это и есть событие. В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм – и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость дополняют друг друга. По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс, большинство систем открыты – они обмениваются энергией или веществом, или информацией с окружающей средой. Таким образом, главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравномерность, т.е. все реальные системы непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация 48 системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который они назвали диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными потому, что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Диссипативные структуры – это такие открытые системы, в которых при больших отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. При этом энтропия должна возрастать; изменяются и другие термодинамические функции системы, что свидетельствует в целом о сохранности ее хаотичности. Диссипация как процесс затухания движения, рассеяние энергии, информации играет конструктивную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется как переход избыточной энергии в тепло. Для нелинейной системы с диссипацией практически невозможно предсказать конкретный путь развития, так как реальные начальные условия никогда не могут быть заданы точно, а бифуркации тем и характерны, что даже малые возмущения могут сильно изменить ход событий. Таким образом, диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) свободную энергию и, следовательно, производит энтропию. Вследствие диссипации энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия – не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смерти» Вселенной), а при определенных условиях становится прародительницей порядка. «С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипативных структур. Это – следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие в “выбору” одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) мы и приписываем таким системам определенную “автономию”, или “самоорганизацию”» (И. Пригожин, И. Стенгерс). Самоорганизация – самопроизвольное возникновение устойчивых регулярных структур в неравновесных диссипативных средах. САМООРГАНИЗАЦИЯ И СИНЕРГЕТИКА Самоорганизация системы. В последние десятилетия утверждается мнение: материи первоначально присуще тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию сложных упорядоченных систем разного уровня, т.е. созидательной тенденции. 49 Разрушительную тенденцию материи наиболее полно отражает статистическая механика и термодинамика, описывающие свойства изолированных (замкнутых) систем, т.е. систем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию – термодинамическому равновесию, эквивалентному хаосу, – состоянию без какой-либо упорядоченности. В прошлом уже обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики к Вселенной, как к замкнутой системе, и при этом был сделан вывод о деградации Вселенной – ее тепловой смерти. Возрастание энтропии приводит изолированную систему к потере и возрастанию хаоса. Однако реальная практика человечества даже в обыденной жизни убеждает нас в том, что порядок существует и доминирует над хаосом, хотя бы локально. Наглядным примером высокого порядка в неживой природе являются монокристаллы. Эволюционная теория Дарвина утверждает, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов животных и растений. История, социология, экономика и другие гуманитарные и социальные науки показывали, что в развитии общества, несмотря на отдельные зигзаги, в целом также наблюдается усложнение структур. Что касается созидательной тенденции развития материи, то способность материи к саморазвитию обсуждалась сравнительно давно, но лишь в последние десятилетия возникли изучающие эти явления науки. Прежде всего, это синергетика – теория самоорганизации (Г.Хакен), неравновесная термодинамика. (И.Р. Пригожин) и математическая теория катастроф. Как известно, классическая термодинамика в значительной степени абстрагировалась от реальной сложности объектов, рассматривая лишь идеализированные замкнутые или изолированные системы. Поэтому ее результаты приходили в противоречие с исследованиями в биологии или в социальных науках. Противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением и последующем развитием нелинейной неравновесной термодинамики или термодинамики открытых систем. Открытыми называют системы, способные обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Таким образом, все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми. Именно в открытых системах возможно образование нарастающей упорядоченности, т.е. возможна самоорганизация вещественных систем. Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой системы от менее сложных и менее упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Таким образом, самоорганизацией принято называть природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, 50 завершающей плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы. В основе синергетики лежат следующие идеи: – процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны; – процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. К самоорганизации способны только открытые системы, причем находящиеся в состоянии далеком от термодинамического равновесия (существенно неравновесные). Именно такими системами являются живые организмы, общественные структуры и многие другие реальные объекты. Следует подчеркнуть, что синергетика претендует на открытие универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация в неживой или живой природе, а также и в человеческом обществе. (Синергетика – открытие механизма эволюции неживых систем и модель рождения материи). Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем. С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность происходить работу, и не только механическую, но и работу по созданию новых структур. Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат. Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «дайте мне энергию, и я создам мир». Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В открытых системах возможно согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности – уменьшение энтропии. Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Объект синергетики, независимо от его 51 природы, должен удовлетворять трем условиям: открытости, существенной неравновесности и скачкообразному выходу из критического состояния. Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости системы. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. Характерный пример самоорганизуюшейся системы – оптический квантовый генератор – лазер. При его работе выполняются три перечисленных условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение. Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого состояния в одно из нескольких устойчивых. В какое именно из них совершится переход – дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, и одна из них инициирует скачок в конкретное устойчивое состояние. Процесс скачка необратим. Именно в критической точке, точке бифуркации, наиболее вероятен переход в новое состояние. Самоорганизация включает закономерное и случайное в развитии любых открытых систем: плавная эволюция, ход которой закономерен и детерминирован, и случайный скачок в точке бифуркации, определяющий следующий закономерный этап развития. Прямое отношение к концепции самоорганизации имеет математическая теория катастроф, описывающая различные скачкообразные переходы, спонтанные, качественные изменения и т.п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат – топологическая теория динамических систем. Например, применение закономерностей развития самоорганизующихся систем к социальным процессам может дать обоснование некоторым известным явлениям. На стадии эволюционного развития вдали от точки бифуркации система обладает качественной устойчивостью, адаптация и означает приспособление. Например, самодержавная монархия в России достаточно долго устраняла воздействия, направленные на ее разрушение (восстания, внешние агрессии или неподходящие по тем или иным признакам наследники престола). С течением времени, однако, какой-то параметр достиг критического значения, и страна оказалась ввергнутой в хаос. В точке бифуркации резко возросло значение случайностей, система совершила выбор, установилось новое устойчивое состояние. Синергетической подход позволяет делать ряд выводов. Во-первых, неоднозначность перехода не позволяет говорить о столкновении нового со старым, даже если участники событий или последующие интерпретаторы использовали такую терминологию. В реальной борьбе участвовали сторонники двух новых проектов развития – создание либеральной демократии западного образца или построение социалистического общества. Во-вторых, именно в точке бифуркации, т.е. в короткой по 52 историческим меркам отрезок времени, резко возрастает роль личности и других случайностей, не слишком значимых в фазе эволюционного развития. В-третьих, революционная перестройка общества никогда не приводит к тем целям, ради которых она затевалась. Как правило, предсказания оказываются в большой мере ошибочными. Анализ явлений самоорганизации позволяет выявить в них ряд особенностей: – хаос не только разрушителен, но и созидателен, поскольку развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность); – ранее привычная линейная эволюция оказалась исключением, так как развитие большинства систем носит нелинейный характер; – развитие осуществляется через случайный выбор из нескольких разрешенных возможностей в точке бифуркации, следовательно, случайность не является досадным недоразумением, а представляет собой часть механизма эволюции. Концепция развития. Основу концепции развития процессов в природе составляют три положения: системность, динамизм и самоорганизация. Системность означает упорядоченную, структурную организацию материи. Пример, Вселенная – самая крупная из всех известных материальных систем. На определенных этапах ее развития зарождались разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравномерностью. Внешняя среда для любой подсистемы – материальная подсистема более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Предполагается, что внешняя среда для Вселенной – физический вакуум. Любая подсистема Вселенной, например галактика (Солнечная система, планета, биосфера, человек и т.д.), представляет собой целостный материальный объект, прошедший собственный путь развития. Она обладает определенной индивидуальностью, автономией и в то же время является необъемлемой составной частью целого. Для материальной системы любого масштаба характерен динамизм, означающий ее развитие, движение. Без развития, без движения невозможно существование реальной системы, вне зависимости от степени ее упорядоченности и сложности. В процессе развития способность систем к усложнению приводит к образованию упорядоченных структур – происходит самоорганизация систем. При этом действуют два взаимопротивоположных механизма: объединение элементов системы и ее разделение (фракционирование), характерные для всех уровней сложности и упорядоченности материи, начиная от микромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях развития систем преобладает один из четырех видов фундаментальных взаимодействий, которые определяют структуру мира: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные. Так, на нуклонном уровне организации материи сильное взаимодействие выступает в роли ядерных сил, объединяющих нуклоны в ядра, а слабое взаимодействие – в роли сил, определяющих их радиоактивный распад. На атомном уровне функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания одноименных 53 электрических частиц. На молекулярном уровне электромагнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В организации структур Вселенной определяющую роль играет гравитационное взаимодействие. Для управления процессом развития любая система должна обладать способностью накапливать, хранить и передавать информацию, а это означает, что неотъемлемая часть самоорганизации – ее информативность. В этом вопросе пока много неясного. В последнее время удалось выяснить один из решенных природой принципов хранения и передачи информации посредством генного механизма, управляющего структурой и направлением развития живых систем. В концепции развития весьма важен вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств управления. На завершающей стадии эволюции, в точке бифуркации, преобладает случайность. Точку бифуркации можно сравнить с перекрестком с несколькими ответвленными путями, где, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы. Особую роль играет случайность в самоорганизации на завершающей стадии эволюции. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения. Судя по возрастающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорганизации и синергетики пытаются внедрить в различные отрасли науки и распространить их на многие объекты – от Вселенной до общества и человека – без учета их специфики и особенностей. Конечно же, такая тенденция не может не привести к поспешным и неверным результатам, что сдерживает процесс поступательного развития естествознания и науки в целом. Схема развития неживой природы Возврат к прежней системе Возврат к прежнему состоянию Существу ющая система Флуктуаци я Потеря устойчи вости Новое стационарное состояние Точка бифурк ации Создание диссипативно й структуры Распад системы Нова я систе ма Можно считать, что процессы самоорганизации участвуют в эволюции систем наряду с процессами деградации. Здесь важен критерий самоорганизации, связанный также со стремлением системы к равновесию или неравновесию, устойчивому или неустойчивому состоянию, причем далеко не всегда равновесие должно ассоциироваться с устойчивостью. Оказалось, что и 54 вдали от равновесия могут образовываться устойчивые структуры, и неравновесные структуры могут быть устойчивыми. Гипотеза рождения материи: Универсальная схема развития по Пригожину. Синергетика, которая раньше называлась термодинамикой открытых систем, изменила представления о мире. Мы говорили о моделях Вселенной и могли понимать, что Вселенная появилась после того, как нечто «нажало на кнопку». Физика ХХ в. сначала изменила отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и временем, а в конце ХХ в. по-новому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно. В начале XXI в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология – к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика решает проблему рождения разума, синергетика – проблему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, – это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента. Дуализм ньютоновской Вселенной (с одной стороны, пространство – время, с другой стороны – материя) сменился эквивалентностью пространства– времени и материи в уравнениях Эйнштейна. Предлагаемая И. Пригожиным модификация уравнений Эйнштейна, учитывающая рождение материи, выражает “неэквивалентность” материи и пространства–времени. В этом варианте уравнения Эйнштейна устанавливают взаимосвязь не только между пространством–временем и материей, но и энтропией. Вводимый Пригожиным космологический механизм приводит к необратимому “разделению фаз” между материей и гравитацией. В первоначальном вакууме они смешаны, в существующей ныне Вселенной мы наблюдаем материю, переносчик гравитации, “плавающей” в пространстве–времени. Фундаментальная двойственность нашей Вселенной представляется нам сегодня результатом первичного всплеска энтропии. Причиной всплеска энтропии может быть распад чего-то высокоорганизованного, что заставляет вспомнить стоиков, Плотина и «Веды». Основным понятием предстает понятие неустойчивости. Если что-то есть, то устойчивость невозможна. Возникает спонтанная флуктуация. Так из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения частиц вплоть до какогото момента, когда он прекращается. Частицы порождаются энергией модели, сформулированной в синергетике. Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие поныне. Нестабильные частицы И. Пригожин отождествляет с черными мини-дырами, которые распадаются на обычную материю и излучение. 55 «Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и порогом перехода в кристаллическое состояние. Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристалликов, которые то появляются, то снова растворяется. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости… Аналогично, очень малая вероятность критической функции в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется только когда неустойчивость приводит к рождению Вселенной» (И. Пригожин, И. Стенгерс). В модели Пригожина имеет место производство энтропии, пропорциональное скорости рождения частиц. И преобразование пространства–времени производит энтропию. Причем сначала возникает пространство–время, а затем оно производит частицы, поскольку процесс производства пространства–времени из материи невозможен. Итак, в модели Пригожина последовательность рождения материи из вакуума: Спонтанная флуктуация → Точка бифуркации → Черные мини-дыры → Пространство-время → Частицы Квантовый вакуум отличается от «ничто» тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Тут вспоминается и Абсолютная Идея Гегеля, и «мир идей», и «пустота» буддистов. Философских аналогов очень много. Модель рождения материи Пригожина принадлежит к классу неустойчивых вероятностных систем. Конец рождения материи связан с временем жизни черных минидыр. Высшая цель данной «игрушечной модели» – построение «дарвиновской теории» элементарных частиц. Какова судьба Вселенной, исходя из данной гипотезы Пригожина? «Стандартная модель предсказывает, что, в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия (“страшный треск”). Для Вселенной, родившейся под знаком неустойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничто не мешает нам предположить возможность повторных неустойчивостей». Размеры Вселенной растут в модели Пригожина по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширения Вселенной при нерождении материи Вселенная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможна новая флуктуация. «Эйнштейновская космология стала венцом достижения классического подхода к познаваемости… В стандартной модели материя задана: она эволюционирует только в соответствии с фазами расширения Вселенной. Но, как мы видели, неустойчивость возникает, стоит нам только учесть проблему рождения материи. Таким образом, особая точка Большого взрыва заменяется рождением материи и кривизны пространства– времени. Эйнштейновское пространство–время, соответствующее искривленной Вселенной, при нашем подходе возникает как следствие необратимых процессов. Стрела времени становится принципиально важным элементом, лежащим в основе самих определений материи и пространства–времени. Однако наша модель не соответствует рождению стрелы времени из «ничего». Космологическая стрела времени уже предполагается неустойчивостью квантового вакуума» (И. Пригожин, И. Стенгерс). Наконец, еще один вопрос, который ставят авторы: можно ли создать единую теорию физики, или, как ее называют еще, «теорию всего»? «Если такая универсальная теория 56 когда-нибудь будет сформулирована, она должна будет включать в себя динамическую неустойчивость и таким образом учитывать нарушение симметрии во времени, необратимость и вероятность. И тогда надежду на построение такой “теории всего”, из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить». Другими словами, нет знания, которое овладело бы универсальным ключом ко всем без исключения явлениям природы. САМООРГАНИЗАЦИЯ И НЕРАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Концепция необратимости. В классической и квантовой механике время является мерой длительности всех механических процессов и выступает в качестве внешнего параметра, знак которого в уравнениях движения можно менять на обратный. Действительно, если заданы начальное состояние системы, т.е. начальные ее координаты и импульсы, и известны уравнения движения, то в механике можно вполне однозначно определить любое ее состояние, как в будущем, так и в прошлом. Следовательно, направление времени никак не учитывается в классической и квантовой механике, хотя в квантовой механике предсказания имеют лишь вероятностный характер. Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике, так и тем теоретическим воззрениям, которые установились в естественных науках, изучающих конкретные изменения явлений во времени (биология, геология, история, палеонтология и др.). Если классическая физика изучала обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывали, что предметом их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие свою историю и развитие. Таким образом, необратимость не входила в фундаментальные законы неживой природы. Классическая термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции. Такое понятие о времени и, особенно, об эволюции системы коренным образом отличалось от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в классической термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешимым вплоть до 60-х гг. ХХ в., пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию неравновесных процессов. Открытые системы. Открытыми называются системы, способные обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все 57 реальные системы являются открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, то энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Отметим взаимное влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который в формулировке Вейля гласит: “Если условия, однозначно определяющие какойлибо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию”. Поэтому формально все неравновесные процессы разделяются на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. Так, скалярная величина (химическое сродство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность). На пути любой достаточно сложной системы к равновесию, которое характеризуется максимумом энтропии, встречаются обстоятельства, не позволяющие это сделать. В качестве таковых выступают граничные условия, которые могут быть постоянными или меняться. Если они постоянны, например, поддерживают определенную разность температур на границах, то переменные состояния стремятся асимптотически к независимым от времени величинам, достигая квазистационарного или стационарного состояния. Стационарные состояния в открытых системах австрийский (впоследствии канадский) биолог-теоретик Людвиг фон Берталанфи (1901–1972) назвал текущим равновесием. Ему принадлежит и термин открытая система. Берталанфи построил теорию биологических организмов на базе обобщения физической химии, кинетики и термодинамики, которая стала называться “теорией открытых систем”. Он ввел формальное выражение таких важных свойств системных параметров, как сумма, целостность, организация, рост, конкуренция и т.д., широко применяя аппарат дифференциальных уравнений. Понятие локального, или текущего, равновесия Берталанфи ввел для живого организма – как неравновесной открытой системы. Состояние текущего равновесия в системе должно поддерживаться извне обменом веществом, энергией и информацией, компенсирующим потери на диссипацию. Такие состояния, близкие к равновесным, встречаются в различных областях естествознания. К самоорганизации способны только открытые системы, находящиеся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (существенно неравновесные). Под самоорганизацией понимается спонтанные переход 58 открытой системы от менее сложных и менее упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Процессы самоорганизации описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Оказалось, что под действием крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур. Брюссельская школа, возглавляемая И.Р. Пригожиным, исследовала способность открытых систем к самоорганизации и выделила неравновесность в качестве основного источника упорядоченности! В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных и хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникнуть упорядоченные состояния. Упорядоченность может быть временная, пространственная и пространственно-временная. В живой и неживой имеется огромное множество открытых систем, которые обладают высокой степенью упорядоченности. Например, различные машины и живые организмы значительно более упорядочены, чем вещества и субстанции, из которых они построены. Они представляют собой более организованную форму существования материи, чем окружающая их среда. Если эти реальные состояния рассматривать с позиций классической термодинамики, то намечается очередной парадокс: организованная система должна обладать меньшей энтропией по сравнению с окружающей средой (Больцман утверждал, что энтропия в целом в мире возрастает). В чем тут дело? Необходимо еще раз отметить качественное отличие замкнутой системы от открытой. В замкнутой системе может сохраняться и неравновесная ситуация, но до тех пор, пока система за счет внутренних процессов не придет в равновесие и энтропия достигнет максимума. Для открытых же систем за счет подпитки энергии от внешней среды могут возникать диссипативные структуры с меньшей энтропией, т.е. система, самоорганизуясь в новом стационарном состоянии, уменьшает свою энтропию, «сбрасывает» избыток ее, возрастающий за счет внутренних процессов, в окружающую среду. Открытая система как бы «питается» отрицательной энтропией (негэнтропией, как ее иногда называют). Возникают новые устойчивые неравновесные состояния, но близкие к равновесию, когда диссипация энергии имеет минимум и рост энтропии оказывается меньше, чем в других близких состояниях. При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет отмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Роль энтропии, негэнтропия и информация. Энтропия связана с вероятностями: S = k lnW. Здесь W выражает число микросостояний, определяемое квантовыми законами, т.е. энтропия – «количественная мера 59 беспорядка» в макроскопических системах – определяется числом микроскопических состояний, соответствующих данному макроскопическому. Формула Больцмана, приведенная выше, связывает энтропию с хаосом. Слева стоит ключевое понятие второго начала термодинамики, характеризующее любые самопроизвольные изменения системы, а справа – величина, связанная с хаосом и служащая мерой рассеяния энергии, ее деградации во Вселенной. Второе начало термодинамики определяет важную тенденцию в эволюции физического мира – с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна возрастать. В результате энергии распределяются по рангам так, что высший занимают те, которые способны превратиться в большее число видов энергии. Тогда низший ранг достанется теплоте, превращения которой ограничены принципом Карно. Из энергий, встречающихся в физике и химии, высший ранг имеют механическая и электрическая энергии, промежуточный – химическая энергия (из-за тепловых явлений, сопровождающих химические реакции). Психологически удобно, поскольку наш ум привык негативно воспринимать потерю чего-либо, пользоваться величиной, равной энтропии, но с обратным знаком, которую предложил ввести Шредингер. Один из творцов теории информации французский физик Леон Бриллюэн (1889–1969) назвал ее негэнтропией: N = – S. Негэнтропия представляет качество энергии, а принцип Карно выражает закон обесценивания энергии, ее деградации. Система, способная производить механическую работу (сжатая пружина, заряженная батарея, поднятый над Землей груз) может рассматриваться как источник негэнтропии, и, совершая работу, она теряет ее запас. Негэнтропия и информация. Винер, один из создателей кибернетики не дал определения информации, но отметил: “это не материя, и не энергия”, это просто “информация”. В 40-х годах ХХ в. количество информации, стали понимать как меру упорядоченности структур в противовес мере хаоса – энтропии. Постепенно информация превратилась в меру выбора из множества возможных вариантов. В последнее время вместо представления о мире как о двуединой сущности (материя–дух) все чаще стали говорить о триединстве (материя–дух–информация). Информация стала рассматриваться в качестве философской категории. Такое отношение к информации связано с тем, что информационный подход оказался удобен при изучении эволюционных процессов, и информация стала мерой изменения состояния системы при усложнении и развитии. Чем выше неопределенность в знании W, тем больше число возможных микросостояний для данного макросостояния, тем больше вероятность и больше энтропия. Получение каких-либо дополнительных сведений о системе позволяет точнее охарактеризовать ее структуру, сократить число элементарных состояний, уменьшить вероятность и энтропию. Поэтому любая дополнительная информация увеличивает негэнтропию системы. Поскольку система самопроизвольно переходит в состояние с меньшей негэнтропией (более устойчивое, с возрастающей энтропией), то убывает ценность 60 добавочной информации. Информация эквивалентна отрицательной энтропии, или негэнтропии. В случае открытых систем можно вмешаться в естественный ход процессов, имея некоторые сведения о системе, и преобразовать информацию в постоянную негэнтропию, и наоборот, негэнтропию – в информацию. Информация призвана компенсировать рост энтропии, поэтому ею можно дополнить закон неограниченного роста энтропии, как того требует принцип Карно, и превратить второе начало термодинамики в закон сохранения энтропии и информации. Информационный подход позволяет единым образом описать и неживую, и живую природу. Принцип производства минимума энтропии. Более корректно понимание процессов в открытых системах системах нашло отражение в принципе производства минимума энтропии Пригожина – Гленсдорфаа. Под производством энтропии понимают отношение изменения энтропии dS к единице объема системы. Степень упорядоченности открытой системы можно определить по этому принципу производством энтропии. Общее изменение энтропии dS = dSi (внутреннее) + dSe (внешнее), где dS полное изменение энтропии в открытой системе, dSi - изменение энтропии за счет за счет внутренних процессов (оно может быть только положительным, т.е. увеличением, поскольку согласно второму закону термодинамики внутри системы идут лишь необратимые процессы с ростом энтропии, dSe - изменение энтропия за счет взаимодействия с окружающей средой. Это изменение связано с обратимыми процессами, поэтому оно может быть как положительным, так и отрицательным. И.Р. Пригожин сформулировал расширенный вариант второго начала термодинамики. В открытой системе изменение энтропии будет обусловлено не только процессами внутри системы, в которых энтропия не может убывать (второе начало термодинамики), но и процессами обмена энергией и веществом с окружающей средой, в которых энтропия может, как убывать, так и возрастать. В закрытой системе dSe = 0, а dSi > 0 и тогда в целом dS > 0. В открытой системе dS = 0 или даже dS < 0, поскольку dSe может компенсировать энтропию dSi , произведенную внутри системы, или превзойти ее. Тогда dSi < 0 , т.е. энтропия в систему не поступает (поступает с отрицательным знаком), а, наоборот, может из нее выводиться. Условие dS = 0 означает стационарное состояние, dS < 0 – рост и усложнение системы. Соответственно, изменение энтропии в этом случае определяется соотношением dSe dSi , которое показывает, что энтропия, произведенная необратимыми процессами внутри системы, переносится в окружающую среду. 61 В стационарном состоянии dSe = - dSi. Это означает, что поступающий из окружающей среды поток тепла или вещества определяет отрицательный поток энтропии dSe , который компенсируется положительным производством энтропии dSi внутри системы из-за необратимых процессов в ней. Такой отрицательный поток показывает, что система поставляет энтропию внешнему миру, т.е. сбрасывает в него неупорядоченность и увеличивает энтропию окружающей среды. Если изменение энтропии, обусловленное связью с внешней средой, отрицательно, и по величине превосходит приращение энтропии внутри системы, то суммарное изменение энтропии будет отрицательно. Это означает, что энтропия в системе будет убывать и, следовательно, станет возможным увеличение порядка в системе. Естественно, за счет уменьшения порядка в окружающей среде. Таким образом, эволюцию к более высокому порядку можно представить как процесс, в котором система достигает состояния с более низкой энтропией по сравнению с энтропией в начальном состоянии. По формулировке И.Р. Пригожина система эволюционирует к стационарному состоянию, характеризуемому минимальным производством энтропии. Поэтому И.Р. Пригожин и Гленсдорф сформулировали свой принцип так: при неравновесных фазовых переходах, т.е. в точках бифуркации, через которые и происходит процесс самоорганизации, система идет по пути, отвечающему меньшему значению производства энтропии. Отсюда следует вывод: чем меньше производство энтропии при реальных процессах, тем более система организована. При наличии неустойчивости (хаотической компоненты системы) понятие изолированности теряет смысл: даже на малейшие воздействия (или с ростом флуктуаций и переходом их в бифуркации при внутренних процессах) отклик в системе может стать весьма существенным, и система становится открытой. По существу в этом и заключается процесс самоорганизации – создание определенных структур из хаоса, неупорядоченного состояния. Реальные системы как бы структурируют энергию из внешней среды – упорядоченная ее часть остается в системе, а неупорядоченную энергию система «сбрасывает», возвращает в природу, т.е. открытые системы «живут» за счет заимствования порядка из внешней среды. Таким образом, из переосмысления второго закона термодинамики был сделан вывод, что при отсутствии равновесия в системе необратимость и возникающая энтропия могут быть рассмотрены как источник порядка. При этом появление порядка может происходить только в открытой системе с нелинейным (много вариантным) поведением. Стремление к самоорганизации присуще системам независимо от физической природы и иерархии построения системы. Хаотичность и нерегулярнсть сами по себе могут создавать порядок, который принципиально отличается от упорядоченности равновесных систем тем, что неравновесные упорядоченные системы существуют лишь при условии постоянного обмена с окружающей средой, а равновесные – без обмена. Физическим примером устойчивой, но неравновесной системы являются состояния инверсной заселенности в лазерах при накачке энергией. В открытых системах наряду с нерегулярностью (хаосом) налицо и частичное упорядочение. Вообще энтропия ламинарного течения жидкости 62 меньше, чем т4урбулентного, и возникновение реального процесса турбулентности из ламинарного сопровождается меньшим производством энтропии. В связи с самоорганизацией сформулируем характерные признаки этого процесса: самоорганизация присуща лишь нелинейным движущимся системам; необходимость обмена энергией, веществом и информацией с внешней сферой; процессы должны быть кооперативными, когерентными; должен иметь место неравновесный термодинамический процесс, причем неравновесность – это такое состояние, когда приток энергии извне не только «гасит» рост энтропии, но и заставляет энтропию уменьшаться. Таким образом, особенность синергетических систем)состоит в том, что их развитие протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. Процесс самоорганизации в открытых системах может быть описан следующим образом. С поступлением новой энергии или вещества в ходе постоянного обмена системы со средой, неравновесность в системе возрастает. В конечном счета, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами возникают новые связи, приводящие к кооперативным процессам, т.е. коллективному поведению ее элементов (их «сотрудничеству» – отсюда название «синергетика». Эти изменения в состоянии системы имеют характер фазовых переходов. Первая фаза – период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями. Малые изменения начальных условий возрастают до макроскопического уровня, приводящего в итоге систему к нелинейному неустойчивому критическому состоянию. Вторая фаза – одномоментный выход из критического состояния и переход в новое устойчивое состояние с большой степенью сложности и упорядоченности. Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точки бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости резко переходит в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке эволюции путь системы разветвляется и выбирается одна из ветвей развития. Однако после того как система перешла в качественно новое устойчивое состояние – назад возврата нет. Здесь процесс необратим. Это значит, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но нельзя однозначно предсказать, какой из них будет выбран. Процесс самоорганизации становится возможным при наличии ряда условий: система должна быть открытой, неравновесной (находится далеко от точки термодинамического равновесия), нелинейной (допускающей вариативность, множественность путей ее развития). Находясь в точке бифуркации, система выбирает одни из возможных путей развития на основе 63 случайного поиска. Случайность, таким образом, встроена в механизм эволюции, она становится элементом развития, появления нового. Явления, описываемые в рамках понятий бифуркации, самоорганизации и эволюции структур, относятся не только к физике. Они присущи природе в целом, и поэтому могут быть использованы во всех других науках, которые ее описывают: химии, биологии, геологии, географии, экологии. Это связано с тем, что методы анализа таких структур и применение математического аппарата те же самые, как и для нелинейных открытых физических систем. Большое сходство уравнений для описания этих явлений указывает на структурный изоморфизм процессов самоорганизации, изучаемых в естественных и гуманитарных науках. Учитывая огромное количество реальных систем в природе и обществе, подчиняющихся законам синергетики, можно считать, что создание синергетической картины мира является по существу научной революцией, сравнимой по своим масштабам с открытием строения атома, созданием генетики и кибернетики. Синергетика убедительно показывает, что в самом фундаменте природы, как неживой, так и живой, заложен принцип «инь» – «янь». Это – принцип развертывания и свертывания, эволюции и инволюции, развития и угасания, роста и вымирания, хаоса и порядка, устойчивости – неустойчивости. Самоорганизация в физике, химии, биологии. Не вдаваясь в достаточно сложную общую теорию диссипативных систем, можно привести несколько наглядных примеров самоорганизации в неживой и живой природе. Модель Э. Лоренца. Рассмотрим качественно модель атмосферных процессов Э. Лоренца. Конвективное движение молекул воздуха в атмосфере возникает в результате совместного действия гравитационного поля Земли и градиента температур, создаваемого внешним источником тепла, например, океаном, нагретым Солнцем. В результате создаются конвективные потоки нагретого воздуха вверх и холодного воздуха – вниз. Это типичный хаотический процесс, т.е. неорганизованный и случайный. Однако ситуация может существенно измениться, если градиент температуры случайно превысит некоторое критическое значение. Тогда в общей атмосфере могут образовываться такие зоны, области, внутри которых теплый воздух поднимается вверх, а по краям этих зон холодный воздух движется вниз. Это приводит к саморегуляции теплового потока, и в целом возникает уже упорядоченное макроскопическое движение воздуха. Хаотическое движение становится упорядоченным. Хаос превращается в порядок! (Перестройка характера движения самоорганизации происходит благодаря внутренним свойствам самой системы при наличии внешней подпитки системы энергией.) Ячейки Бенара. Первый классический пример упорядочения структуры из хаотического движения относится к гидродинамической неустойчивости в жидкости, открытый в 1900 г. Бенаром. На поверхности жидкости при 64 определенных условиях возникает диссипативная пространственная структура, названная ячейками Бенара. Для наглядности опишем опыт Бенара на «бытовом» уровне. На подогреваемую снизу сковороду наливают масло с металлическими опилками, и поэтому вверху образуется тяжелый слой. За счет подогрева, т.е. возникающего градиента температур, в результате действия сил тяжести и выталкивающей архимедовой, - подогретые легкие и тяжелые верхние слои стремятся поменяться местами. До какого-то момента этим внутренним движениям противодействует внутреннее трение - вязкость (поэтому для наглядности и было выбрано масло), но при достижении некоторой критической разности температур, так же, как и в модели Лоренца, возникает организованный конвекционный поток, и поверхностный слой масла вдруг, скачком, разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты, которые можно увидеть, покачивая сковородку. С позиций физики произошел фазовый переход – образовалась новая структура, но переход не равновесный, в неравновесный, требующий подвода внешней энергии. Реакции Белоусова – Жаботинского. Второй классический пример относится к самопроизвольным периодическим химическим реакциям, впервые открытым Б. Белоусовым в 1951 г., в которые никто из химиков не хотел поверить, так как из традиционной химии известно, что химические реакции необратимы. Поэтому при жизни Белоусова результат не был опубликован. Условием публикации было требование редакторов научных журналов теоретического объяснения механизма явления, что само по себе неправильно и несправедливо. Как и в предыдущих моделях Лоренца и Бенара, суть периодических реакций – в возникновении организованных потоков и структур, но только реализованных в химических реакциях, где важную роль играл специфический катализатор. При реакции окисления лимонной кислоты с таким катализатором в определенной последовательности возникали окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн или периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно (“химические часы”). Подобные реакции в дальнейшем широко исследовали и использовали для разных веществ, и они получили название реакций Белоусова–Жаботинского. Ныне известны и другие колебательные реакции, но реакция Белоусова–Жаботинского является в известном смысле исторической, поскольку она показала, что вдали от состояния равновесия вещество обретает новые свойства. На экспериментальной основе реакции Белоусова–Жаботинского бельгийскими учеными во главе И. Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии – Брюсселя). Они рассмотрели протекание реакции между двумя сортами непрерывно поступающих в реактор продуктов, причем количество этих веществ поддерживалось постоянным. После реакции продукты реакции 65 выпадают в осадок, но все время в объеме присутствуют два промежуточных вещества. В реакции Белоусова промежуточные вещества периодически мерцали, создавая эффект изменения цвета раствора. Расчет дает колебательный режим при определенном соотношении реагентов, изменение соотношений между реагентами меняет характеристики колебаний концентраций промежуточных продуктов реакции. Уравнения, описывающие этот процесс, совпали с уравнениями автоколебательных систем (электрических или механических). Если добавить условия, соответствующие хорошему перемешиванию продуктов в объеме, модель сильно усложняется (она получила название точечной), но устойчивые во времени и пространстве структуры промежуточных продуктов сохраняются. Эти структуры спонтанно возникают под действием термодинамических сил в далекой от равновесия системе, когда ее параметры превышают критические значения, т.е. происходит перестройка в системе, называемая самоорганизацией. Группа Пригожина создала специальную модель для изучения волновых явлений реакции Белоусова-Жаботинского, названную ими реакцией в системе БМФ (аббревиатура от слов: бромид – броммалоновая кислота – ферроин). В этом случае могут наблюдаться самовозбуждающиеся волны, или, говорят об образовании волнообразных пространственно–временных диссипативных структур, Волна концентрации возникает в начале реакции, отражаясь от стенок реактора. Источником ее являются мелкие неоднородности среды или небольшие повышения концентрации кислоты, т.е. случайные неоднородности или флуктуации, которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Помещая мелкие неоднородности в раствор можно управлять этими волнами, делать их сферическими или спиральными. Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной. Как отмечает И. Пригожин: Переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки. Автоволны и самоорганизация. Реакции, приводящие к временным структурам в химии, могут быть отнесены к колебательным реакциям – автокаталитическим по химической терминологии или к автоволновым процессам по физической терминологии. В автокаталитических реакциях продукты каталитически ускоряют саму реакцию, и скорость ее растет с ростом концентрации ее продуктов. Автоволны – самоподдерживающиеся волны, которые распространяются в активных средах с распределенной запасенной энергией, или в таких, в которых подводится энергия извне. За счет обратной связи между отдельными стадиями сложной реакции или любыми частями самоорганизующейся системы автоволны могут поддерживать свои характеристики. Автоволновые процессы, которые относят к самоорганизующимся процессам, получили свое развитие в работах представителей русской школы теории колебаний, в том числе в нелинейных 66 средах, Л. Мандельштама (1879–1977), А. Андронова (1901–1952), Р. Хохлова (1926–1977), С. Ахманова (1933–1994). Можно даже сказать, что это был «русский подход» к проблеме самоорганизации. Они имеют более глубокий смысл, поскольку на их основе анализируют многие процессы в природе и обществе, не только при химических реакциях, в том числе и в процессах горения и окисления, передачи информации, например, в биологии, географии, этнографии, социологии и других науках. Отметим, что Пригожин и его Брюссельская школа, занимающаяся неравновесной термодинамикой, избегают синергетической терминологии, введенной Хакеном для динамики неустойчивых структур. Самоорганизация в биологии. Автоволны – это самоподдерживающиеся волны, которые распространяются в активных средах или средах, поддерживаемых энергетически. Именно за счет внутренних источников среды автоволны способны поддерживать свои характеристики, поэтому автоволны были открыты при передаче возбуждения по нервным волокнам, мышцам, сетчатке глаза, при анализе численности популяций и т.д. Волна возбуждения движется по возбудимой среде без затухания, потери на диссипацию полностью поддерживаются подводом энергии извне. Типичный пример такой автоволны – нервный импульс, который бежит без затухания по нервному волокну диаметром менее 0,025 мм и длиной до 1,5 м. Нервное волокно – плохой проводник, его электрическое сопротивление в 100 млн. раз большее сопротивления медного провода такого же сечения, и потому без подпитки энергии такой импульс затух бы очень быстро. Один раз в секунду по сердцу пробегает автоволна – волна временного уменьшения разности электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны сердечных клеток. Распространяясь по сердцу, эта волна возбуждения запускает механизм сокращения сердечной мышцы. Именно этот электрический потенциал, создаваемый волной, и регистрируется на электрокардиограмме. Нейрофизиологические исследования показывают, что обработка информации в коре головного мозга ведется не на уровне активности отдельных нейронов (как и ЭВМ), а на уровне взаимодействия между автоволными возбуждения и торможения, которые охватывают обширные участки мозга. Скорость распространения нервного импульса впервые измерил Гельмгольц в 1850 г. (по современным данным она равна 0,5–120 м/с). Волны электрического возбуждения исследовались детально с начала ХХ в. Свойства нервного импульса, типичные для автоволн (универсальная форма и амплитуда, не зависящие от начальных условий; аннигиляция при столкновениях) были установлены в 20–30 годы, но их не сопоставляли с явлениями в других областях. Волны возбуждения в сердечной мышце в то же время обнаружили Т. Льюис и В. Гери, причем с теми же свойствами, что и у нервного импульса. Стало известно, что в ткани сердца возможна циркуляция волны вокруг анатомических препятствий. Близкими свойствами обладают волны в коре головного мозга. 67 Автоволна возбуждения – это сильное нелинейное образование. Ее распространение описывается нелинейными уравнениями. Такая волна однозначно определяется средой, и ее характеристики не зависят от начальных условий: она локализована в пространстве – до и после ее прохождения элементы среды остаются в покое. В отличие от автоволн, единичные волны – солитоны – сильно зависят от начальных условий. В одной и той же среде можно создать солитоны, которые двигаются с разными скоростями и имеют разную амплитуду, при диссипации солитоны будут испытывать торможение. Солитоны – тоже нелинейные объекты, поэтому для них не выполняется принцип суперпозиции, хотя они во многом похожи на обычные частицы – воссстанавливают форму после столкновения и не обладают свойством аннигиляци как автоволны. Самоорганизация и фазовые переходы. Рассмотрение общих свойств самоорганизующихся систем в неживой природе было бы неполным, если не указать на аналогию с фазовыми переходами. В 1970 г. ее отметили несколько ученых, работавших в квантовой электронике: немецкие ученые Грэхем и Хакен и итальянские – Де Джиржио и Скулли. Например, если рассматривать свет от лазера, и свет от лампы накачки, то можно сказать, что он претерпел фазовый переход и изменил свои свойства – стал когерентным, более узким в спектральном диапазоне и усиленным по направлению испускания. Сначала такая аналогия казалась поверхностной, но с каждым параметром фазового перехода в парамагнетике удалось сопоставить соответствующий параметр квантовой генерации. Возражение, касающееся искусственности создания самого прибора, творящего эти превращения со светом, были сняты, когда была открыта мазерная генерация в космическом пространстве, происходящая естественным путем. Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения составляющих его частиц, благодаря поступлению энергии извне, при достаточной его “накачке”, приводятся в согласованное движение. Они начинают колебаться в одинаковой фазе, и вследствие этого мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует, что в результате взаимодействия со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние случайные колебания элементов такой системы, как лазер, превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы, и происходит самоорганизация системы. Хакен выделил коллективные процессы во всех самоорганизующихся системах: коллективно самоорганизуются молекулы в узлах кристаллической решетки, коллективно выстраиваются элементарные магнитные моменты (спины) в ферромагнетике, коллективно и согласованно самоорганизуются вихри внутри жидкости, порождая видимую на макроскопическом уровне структуру. Возбуждаясь в рабочем веществе лазера, атомы самосогласованно и коллективно испускают когерентное излучение. Итак, кооперативность – общая черта процессов самоорганизации. Кроме того, инверсная 68 населенность, как и неравновесное состояние в жидкостях, должна поддерживаться внешней средой, только в этом случае возникающие структуры будут устойчивы. Устойчивые структуры возникают при обмене с внешней средой энергией (или веществом – для биологических систем), которые могут поддерживать отклонение от равновесия. Этот внешний поток не только гасит рост энтропии, но может привести к ее понижению. И еще: для самоорганизующихся систем непременным атрибутом является сложное движение, описываемое нелинейными уравнениями, и пороговый характер возникновения. Эти самоорганизующиеся системы и процесс самоорганизации математически оформили следующим образом: сначала просто записали связь эффекта с его причиной в зависимости от времени, а потом исключили внешнее воздействие, предоставив систему самой себе. Хакен расширил систему так, чтобы включенные в уравнения внешние силы стали силами внутренними, и описал механизм нарастания внутренних флуктуаций с помощью введения стохастического члена. В дальнейшем он разработал теорию лазерной генерации как фазового перехода, а потом теорию гидродинамических неустойчивостей как фазовых переходов, для которых сумел получить не только теоретическое подтверждение факта существования ячеек Бенара, но и описание положения шестиугольных цилиндров и их диаметров. И каждый раз в этой аналогии открывались более глубинные черты. В частности, развиваемый метод дал интересные результаты при рассмотрении фазового перехода – разрушение упругой конструкции (моста, например). Так стал работать новый синергетический метод, основанный на идее синтеза. (Синергетика переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие). Примеры простых и поддающихся математическому описанию, иногда даже на динамическим уровне, систем были обнаружены в физике (образование устойчивых вихрей в нестационарных потоках жидкостей и газов; возникновение упорядоченного излучения в лазерах; образование и рост кристаллов), химии (концентрационные колебания в реакции Белоусова–Жаботинского). Сходные по внешнему проявлению процессы имеются в биологии (морфогенез, колебания численности популяций), экономике (колебания занятости населения), политике и социологии (формирование общественного мнения) и т.д. Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско–мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого «здания материи», и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы и неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции. Несмотря на внешнее разнообразие самоорганизующихся систем, все они имеют сходные особенности, которые, по-видимому, носят обязательный характер для возникновения феномена самоорганизации. 1. Самоорганизующиеся системы сложны, т.е. состоят из нескольких элементов и подсистем. 2. Самоорганизующиеся системы нелинейны, т.е. описывающие их динамику математические уравнения существенно нелинейны. 69 3. Самоорганизующиеся системы должны быть открытыми, т.е. должен существовать поток энергии, вещества и т.п. из внешних систем, поддерживающий самоорганизующуюся систему в термодинамически неравновесном состоянии. Поясним, что понимается под нелинейностью и в термодинамике и теории самоорганизации вообще. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения, в которых входят переменные в степени выше первой (линейной). Хотя нелинейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и точном естествознании в целом, они оказываются неадекватными для описания открытых систем или же при весьма интенсивных воздействиях на системы. Именно с подобными системами и процессами имеет дело неравновесная термодинамика, и поэтому ее нередко называют нелинейной. Математический формализм описания самоорганизующихся систем возник буквально в последние годы и завоевывает себе популярность в различных областях естествознания столь быстрыми темпами, что краткий обзор наиболее часто используемых в его рамках терминов необходим даже при кратком знакомстве с проблемами современной науки. Наличие характерного практически для любой молодой дисциплины обилия новых терминов свидетельствует не столько о ее сложности, сколько о незавершенности. Связь системы с внешним миром описывается при помощи параметров управления (в качестве таких параметров могут выступать внешние силы, подводимая в систему энергия, потоки вещества и т.д.). Самоорганизация возникает при значениях параметров управления, лежащих внутри определенных интервалов значений. Выход за рамки этих интервалов приводит к изменению типа поведения системы (изменению ее пространственно–временных структур), часто к разрушению самоорганизации и замене ее хаосом. Динамический хаос. Известно, что диссипативные структуры возникают вдали от равновесия и дают возможность перехода к «организованному» хаосу. В них возникают непредсказуемые, т.е. случайные, но организованные потоки. Более корректно такой хаос называют динамическим или детерминированным хаосом. Детерминированность, т.е. определенность, проявляются в том, что конвективные потоки возникают обязательно, и они при определенных условиях организованы, упорядочены, а хаос проявляется в непредсказуемости места и времени появления конвективных потоков. Динамический хаос можно воспринимать как динамику частиц или объектов в условиях хаотического их движения. Реальное хаотическое движение с учетом случайных источников, например, движение атомов и молекул в состоянии равновесия, можно обозначить как «физический» или статический хаос. 70 Детерминированный хаос может порождать упорядоченные структуры, но очень небольшие изменения начальных условий могут кардинально изменить сам характер движения, т.е. сделать его динамически неустойчивым. Поскольку начальные условия задаются с конечной точностью, то предсказание характера движения становится невозможным. Теперь нам понятно, почему долгосрочные прогнозы погоды, которые мы регулярно слушаем и удивляемся их неточности, так далеки от реальной погоды за окном. Такой прогноз из-за наличия динамической неустойчивости в атмосфере является чрезвычайно трудной задачей. Аттракторы. Эволюцию динамической системы можно анализировать в абстрактном пространстве состояний – фазовом пространстве, в котором можно ввести координаты, описывающие состояние системы, в частности фазу системы. Совокупность последовательных положений системы в фазовом пространстве составляет фазовую траекторию. Выстраивая такую траекторию в фазовом пространстве, необходимо указывать направление перемещения системы по фазовой траектории во времени. Состояние любой системы (в том числе и самоорганизующейся) может быть описано точкой в конфигурационном пространстве, размерность которого совпадает с числом степеней свободы системы. Изменение состояния системы сопровождается перемещением изображающей ее точки. В случае самоорганизующихся систем траектории изображающих их точек с течением времени часто не уходят на бесконечность, собираясь вблизи особых точек или замкнутых кривых. В случае существования таких точек или их множеств к ним сходятся («притягиваются») целые семейства траекторий, начинающихся в различных точках конфигурационного пространства (рис. 9.1.). Описанные особенности получили название аттракторов. Таким образом, аттракторы – точки в фазовом пространстве, притягивающие траекторию развивающейся динамической системы. Оказалось, что структуру аттракторов (а значит, и конечное состояние системы) можно проанализировать, не решая всю совокупность нелинейных уравнений, описывающих самоорганизующуюся систему. Кроме аттракторов типа «центр», могут быть такие точки типа «фокус», аттрактор с потерей энергии, диссипацией ее и типа «седло». Из рисунков видно, что траектории притягиваются, но не пересекаются. Такой анализ на ранней стадии позволяет прогнозировать поведение исследуемой динамической системы. Из аттракторов типа «седло» уже можно сделать вывод, что траектории могут расходиться. Такие точки с расходящимися аттракторами получили название странных аттракторов. Странные аттракторы – это, по существу математический образ сложного движения, как выяснилось, именно в нелинейных диссипативных динамических системах. Странность аттракторов заключается в том, что в отличие от обычного аттрактора, который характеризует устойчивость динамической системы, все траектории вокруг него динамически неустойчивы, и эта неустойчивость проявляется в перемешивании траекторий в фазовом пространстве. 71 Допустимые типы аттракторов зависят от размерности конфигурационного пространства, описывающего систему. В одномерном случае в качестве устойчивых аттракторов могут выступать устойчивые неподвижные точки - полюса (соответствуют нахождению системы в состоянии устойчивого равновесия). В двумерном случае помимо устойчивых точек (полюсов и фокусов) возникает возможность устойчивых предельных циклов (замкнутые кривые, описывающие периодически повторяющееся движение системы). В трехмерном случае к указанным возможным типам аттракторов добавляются устойчивый тор (описывает квазипериодическое движение, при котором система периодически практически восстанавливает свою конфигурацию, но численные значения ее параметров никогда точно не повторяются) и странный аттрактор (описывает возникновение состояния хаоса, при котором параметры системы изменяются в ограниченных пределах, но ее состояния не повторяются даже с точки зрения качественного рассмотрения). Итак, хаос – (в синергетике) состояние системы, в котором траектория изображающей ее точки в конфигурационном пространстве является странным аттрактором). Фрактальное строение пространственных структур в природе, принцип самоподобия в неживой материи. Важнейшим свойством странных аттракторов является фрактальность. Фракталы – это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Их начали активно исследовать с появлением мощных ЭВМ. Известно, что прямые и окружности – объекты элементарной геометрии – природе не свойственны. Структура вещества чаще принимает замысловато ветвящиеся формы, напоминающие обтрепанные края ткани. Примеров подобных структур много: это и коллоиды, и отложения металла при электролизе, и клеточные популяции. Хаос порождает фракталы, а фазовая траектория фракталов обладает самоподобием, т.е. при выделении двух близких точек на фазовой траектории фрактала и последующем увеличении масштаба траектория между этими точками окажется столь же хаотичной, как и вся в целом. В программе ЭВМ это 72 увеличение масштаба достигается уменьшением временного шага при решении динамических уравнений. Траектория броуновской частицы (открытое Броуном в 1827 г. хаотическое движение мельчайших частиц в жидкости) тоже обладает фрактальными свойствами. Фракталы имеют дробную размерность (англ. fractial “дробный”). Термин введен Б. Мандельбротом в 1977 г. в книге “Форма, случайность, размерность”. По мнению автора введение фрактальных множеств позволяет объяснить и предсказать многие явления в самых различных областях. Пороговый характер самоорганизации и представления теории катастроф. Согласно теории об устойчивости движения можно судить по знаку производной функции, описывающей это движение вблизи стационарной точки. Если смена знака первой производной определяет характер устойчивости, то при одних значениях параметров система устойчива, а при других – может наступить переход от устойчивого движения к неустойчивому, в общем случае – от одного режима к другому. Можно ввести величину критического порогового параметра, когда система переходит в другое состояние, меняет характер динамического поведения при изменении управляющего параметра, которым, по существу, является рассмотренная ранее бифуркация. Ранее отмечался пороговый характер всех самоорганизующихся процессов. Термодинамика связала его с неустойчивостью – новая структура есть результат неустойчивости и возникает из флуктуаций. В “допороговом” состоянии флуктуации затухают и не проявляются макроскопически, например, в конвекционном потоке при малых Т они рассасываются за счет сил вязкого трения. Выше порога флуктуации не рассасываются, а усиливаются, достигают макроскопических значений и выводят систему на новый устойчивый режим, создают новую структуру, возникающую после неустойчивости, Математически это связано с нелинейностью уравнений, описывающих систему вдали от равновесия. Если линейное уравнение имеет одно стационарное решение, то нелинейное – несколько. Система может принимать любое из этих состояний, и переход из одного в другое стационарное состояние соответствует преодолению порога. Бифуркации и катастрофы. Изменение значений управляющих параметров приводит к изменению структуры аттракторов системы. Явление перестройки структуры аттракторов называется бифуркацией. При бифуркациях система оказывается в крайне неустойчивых состояниях, чувствительных к бесконечно малым изменениям ее управляющих параметров. Именно в этих точках эволюции системы малые случайные статистические флуктуации способны привести к глобальному изменению дальнейшего развития. По-видимому, именно эти точки являются определяющими для развития систем, в ходе которого периоды относительно детерминированного начальными условиями поведения разделяются моментами, когда непредсказуемые случайности носят определяющую роль. 73 Итак, переход скачком в новое состояние с потерей линейности законов называется первой бифуркацией. С ростом числа непериодических колебаний в системе, чувствительным к изменениям начальных условий, в фазовом пространстве системы появляются траектории, притягивающие другие. Эти области называются аттракторами. При удвоении периодов неустойчивых колебаний происходит переход к третьей бифуркации, или состоянию хаоса. В каждой очке бифуркации поведение системы разветвляется, а с третьей начинается хаотическое состояние, скрывающее упорядоченность, поэтому такой хаос называется динамическим, или детерминированным. В математике катастрофой называют скачкообразное изменение, которое может возникнуть в ответ на плавное изменение внешних условий. Для систем это означает потерю устойчивости. Область математики, занимающаяся катастрофами, называется теорией катастроф. Она является в некотором роде обобщением исследования функций на экстремум на случай многих переменных и опирается на теорию особенностей гадких отображений. Отображение поверхности на плоскость есть сопоставление каждой точке поверхности точки плоскости. Теория катастроф позволяет свести огромное многообразие сложных ситуаций к небольшому числу точно изученных систем. Математические образы теории катастроф реализуются в волновых полях. Известны геометрические места точек, в которых происходит фокусировка волнового поля, называемые в оптике каустиками. При пересечении каустик происходит скачкообразное изменение состояния – меняется число лучей, приходящих в данную точку пространства. Для 1-2 переменных и не более 5 управляющих параметров существует семь типов элементарных катастроф. Все семь канонических катастроф имеют в каустиках свои образы. Теория катастроф, широко используемая в метеорологии, аэро- и гидродинамике, оптике, теории кооперативных явлений, квантовой динамике и др., подводит стандартную и эффективную базу под описание качественных изменений в нелинейных уравнениях, описывающих далекие от равновесия системы. Математические закономерности эволюции. Если теория катастроф описывает области устойчивости структур, то развитие во времени этой статической картины во времени дается теорий бифуркаций. Изменения управляющих параметров способны вызывать катастрофические (большие) скачки переменных состояний, и эти переходы осуществляются почти мгновенно (скачком). Момент перехода определяется свойствами системы и уровнем флуктуаций в ней. При таком переходе выделяют два принципа: принцип максимального промедления, определяемый существованием устойчивого уровня, и принцип Максвелла, определяющий состояние системы глобальным минимумом. Каждому из этих принципов соответствует множество точек в пространстве управляющих параметров, в котором происходит переход из одного локального минимума в другой. Последовательность бифуркаций, возникающая при углублении неравновесности в системе, меняется, и процесс пойдет по разным сценариям. Исследования сценариев связаны с анализом свойств странных аттракторов, к которым (как и к обычным) притягиваются точки (состояния системы) в многомерном фазовом пространстве. Введение т понятия аттракторов является несомненной заслугой теории катастроф, как и 74 пропаганда знаний об их бифуркациях. Сейчас к этому термину привыкли и находят их во всех областях теории колебаний. Фонемы речи, к примеру, называют аттракторами звукообразующей динамической системы. Итак, переход скачком в новое состояние с потерей линейности законов называется первой бифуркацией. С ростом числа непериодических колебаний в системе, чувствительным к изменениям начальных условий, в фазовом пространстве системы появляются траектории, притягивающие другие. Эти области называются аттракторами. При удвоении периодов неустойчивых колебаний происходит переход к третьей бифуркации, или состоянию хаоса. В каждой точке бифуркации поведение системы разветвляется, а с третьей начинается хаотическое состояние, скрывающее упорядоченность, поэтому такой хаос называется динамическим, или детерминированным. Третий тип физической рациональности. Вернуться в каталог учебников по естествознанию www.учебники.информ2000.рф/estestvo/estestvo.htm Аудио-версия текста данного учебника – 1 тыс. руб. Создание аудио-версий любых текстов [email protected] Готовые дипломные работы www.готовые-дипломы.информ2000.рф Как создать и продвинуть сайт www.sait-prodvinut.ru 75