Глобальные проблемы физической науки, наследуемые XXI веком

Ровинский Реомар, проф., Израиль

Глобальные проблемы физической науки,
наследуемые XXI веком

Во второй половине ХХ века в результате новых выдающихся открытий, в физической науке произошли события, принципиально меняющие многие прежние мировоззренческие представления. Такие события создают проблемы, решить которые при существующем уровне научного знания вряд ли удастся в короткие сроки, они переходят в XXI век. Начну с того, что в классической физике произошел отказ от ньютоновского мировоззрения. Это не означает отмену законов классической физики, они остаются справедливыми в области, которой ограничивается их применимость.

В чем состояло ньютоновское мировоззрение и что пришло ему на смену? К XVIII веку Ньютон разработал новый математический аппарат, позволивший ему создать математическую модель протекающих в природе динамических процессов, ставшую основой ньютоновской физики. Из такой модели вытекало важное следствие – обратимость физических динамических законов. А обратимость предполагает равноправие путей движения системы во времени – как от прошлого в будущее, так и из будущего в прошлое. Это следствие было доведено некоторыми продолжателями дела Ньютона до абсурда. Так появился на свет лапласовский детерминизм, утверждавший, что зная состояние системы в некоторый момент времени, можно определить все прошлые ее состояния и предсказать все будущие состояния. В таком мире всё предопределено и нет места для появления чего-либо нового. Становилось непонятным, почему в Природе наблюдаются необратимые процессы, как объяснить существование «стрелы времени», то есть однонаправленного во времени развития событий только из прошлого в будущее, как в таких условиях могут протекать процессы развития. Равновесная термодинамика, возникшая в начале XIX века, в противовес классической физике, признала необратимость существующей реальностью, а вторым началом закреплялось реальное существование стрелы времени в той области, на которую распространялось действие этого раздела физики.

Но решающие изменения произошли в ХХ веке. Появились новые разделы физической науки, такие как квантовая механика, специальная и общая теории относительности, астрофизика, биофизика и некоторые другие. Классическая физика превратилась из главной составной части физической науки в один из ее разделов. Мировоззренческие изменения произошли в результате того, что основными объектами исследований во всех науках от астрофизики и до социальных наук стали открытые развивающиеся системы, находящиеся в состояниях сильной неравновесности относительно окружающей среды. Оказалось, что необратимость и неравновесность изучаемых открытых систем обеспечивает в определенных условиях протекание скачкообразных переходов в качественно новые состояния, в том числе и в состояния с более высоким уровнем упорядоченности, чем в исходном состоянии систем. Тем самым в мире обеспечивается появление нового.

С неизбежностью произошли изменения в равновесной термодинамике, которая не могла рассматривать процессы, протекающие в открытых системах, находящихся в состояниях сильной неравновесности относительно окружающей среды. Работами брюссельской школы термодинамики, руководимой И.Пригожиным, созданы основы нового раздела, получившего название неравновесной термодинамики. Труды Пригожина и его сотрудников отличались широтой и глубоким осмыслением основ, чем был внесен серьезный вклад в понимание сути нового мировоззрения.

Решающую роль в наступивших мировоззренческих переменах играет открытие в 70-х годах явления, получившего название самоорганизации материи. Это понятие означает экспериментально открытую способность материи в определенных условиях осуществлять созидательные процессы, повышающие упорядоченность развивающейся системы. Ранее классическая термодинамика провозглашала неизбежность единственного пути развития упорядоченных систем – деструктивного пути, завершающегося «тепловой смертью». К такому выводу приводил анализ развития изолированных систем, не обменивающихся веществом и энергией с окружающим Миром. Но такое представление не распространяется на открытые неравновесные системы, которые нельзя вычленить из целостного Мира, частью которого они являются. Для таких систем, кроме деструктивного пути, существует возможность участия в созидательном процессе, приводящем к переходу в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности, чем в исходном состоянии. Существование в Мире созидательных тенденций признавалось и раньше, но лишь в 70-х годах были открыты механизмы, обеспечивающие реализацию в Природе созидательных переходов. Особенностью всех таких механизмов стало то, чего ранее наука не подозревала: в развивающейся системе, состоящей, из многих элементов любой природы, при соответствующих условиях внезапно возникает коллективное, когерентное взаимодействие элементов, переводящее систему на более высокий уровень упорядоченности. Необходимое условие – приток энергии достаточной мощности. Все такие механизмы объединяются в понятии самоорганизации, проявляющей себя как движущая сила созидательной тенденции в развитии открытых неравновесных систем.

.Возникло понимание необходимости изучать процессы перехода развивающихся систем в качественно новые состояния, в том числе и с участием самоорганизации, что привело к возникновению междисциплинарного научного направления, призванного исследовать процессы образования, поддержания и распада структур в системах, природа которых изучается в различных научных дисциплинах. Отцами-основателями такого направления стали немецкий профессор Хакен, автор книги «Синергетика», и брюссельский профессор термодинамики Пригожин, создавший основы неравновесной термодинамики. Новое научное направление, получившее условное наименование Синергетика, пока не завершилось созданием универсальной теории протекания переходных процессов. Тем не менее, именно оно считается выразителем нового мировоззрения. Завершение создания такой теории переносится в XXI век.

Еще одну проблему создали два важнейших астрономических открытия конца прошлого века, кардинально изменившие прежние представления о Вселенной. Суть первого открытия состоит в следующем. В начале XIX века философ-диалектик Гегель объявил теорию всемирного тяготения Ньютона ошибочной, поскольку в Природе, согласно представлениям диалектики, существуют противоположности: гравитационному притяжению должно противостоять гравитационное отталкивание. Тяготение, в отличие от представлений Ньютона, не является внутренним свойством вещественных объектов, оно привносится извне. В пользу таких утверждений говорило то, что в рамках принятой в те годы модели стационарной Вселенной присутствие только сил притяжения неизбежно привело бы всю систему к стягиванию «в точку». Но наличие притяжения подтверждалось экспериментально, а отталкивание тел без их прямого контакта никто не наблюдал. В те, да и в последующие годы, возражения Гегеля не получили признания.

Но в 1917 году Альберт Эйнштейн вплотную столкнулся с этой проблемой при попытке создать на базе ОТО математическое описание состояний стационарной Вселенной. Ему пришлось для решения проблемы совмещения стационарности с существованием только сил гравитационного притяжения ввести допущение о наличии гравитационных сил отталкивания, действие которых распространяется на всю Вселенную, в целом уравновешивая силы притяжения, но в каждом локальном ее участке силы отталкивания несоизмеримо меньше сил притяжения. Лишь на периферии Вселенной эти силы начинают заметно выделяться на фоне сил притяжения. Теоретики объявили источником гравитационного отталкивания физический вакуум, названный антигравитирующим вакуумом. Произошло фактическое признание того, что гравитация – не внутреннее свойство тел, а результат внешнего воздействия.

Окончательное решение проблемы о существовании в Природе сил гравитационного отталкивания было получено экспериментально в самом конце ХХ века. Две группы исследователей, одна в США, вторая в Австралии, независимо друг от друга обнаружили, что периферийные галактики движутся не с замедлением, как ожидалось, а с ускорением. Такое может происходить только при наличии сил гравитационного отталкивания, которые слабо проявляют себя на меньших расстояниях, но выявляются именно на периферии. Это открытие имеет глобальное значение, особенно совместно с теми результатами, которые получены при открытии господствующей в нашем Мире субстанции по имени «темная энергия».

Открытие господствующей во Вселенной темной энергии явилось вторым важнейшим астрономическим открытием второй половины прошлого века. Существование такой субстанции открылось в процессе изучения астрономами суммарной массы различных галактик. Измерения осуществлялись двумя независимыми методами, которые должны были уточнять результаты, но дали расхождения на порядок величины. Первый метод состоял в суммарной оценке массы всех вещественных объектов, входящих в состав галактик. Второй метод позволял оценить тяготеющую массу галактики в целом, путем измерения скорости движения находящихся на ее периферии вещественных объектов. Масса галактики, определенная вторым способом, получила название динамической массы. Оказалось, что во всех случаях для удержания в сфере своего влияния подобных периферийных образований динамическая масса вещества галактики должна в 10 раз превышать ту, которая определялась первым способом.

Космологическая наука внезапно столкнулась с ситуацией, которую невозможно игнорировать, но пока она не в состоянии ее разрешить. До сих пор астрономия в основном изучала вещественную часть Вселенной, ту ее часть, основу которой составляют три класса элементарных частиц: кварки, лептоны и бозоны. Однако неожиданно выяснилось, что вещество – это небольшая часть Вселенной, всего порядка 5% ее тяготеющей массы. А 95% тяготеющей массы Вселенной составляет темная материя, которая пока ничем себя не проявляет, кроме как гравитацией.

Предпринимаются попытки дать хотя бы общие объяснения явлений, с которыми мы столкнулись, опираясь на научные знания сегодняшнего дня. Ограничимся рассмотрением того, что сегодня можно считать вполне допустимыми предположениями.

Предполагается, что, по крайней мере, часть неизвестной субстанции все-таки является вещественной, но скрытой от наблюдательных возможностей. Теперь именно такую ее часть в литературе называют «темной материей», хотя правильнее было бы называть её «темным веществом». Исходя из не вполне понятных предпосылок, тяготеющая масса «темной материи» оценивается примерно в 20%. Но даже если выяснится вещественная природа темной материи, остается не менее 75% субстанции явно невещественной природы. Эта субстанция получила название темной энергии.

Обращает на себя внимание, что эта господствующая во Вселенной субстанция реагирует с веществом только через гравитационные взаимодействия, и пока никаких других связей не обнаружено. Возникает предположение, что природа этой субстанции отлична от вещественной, т.е. в ней отсутствуют элементарные частицы вещества. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы.

Без сомнения природа, как вещества, так и вакуума, материальна. Но философский термин «материя» носит слишком абстрактный характер. Еще Аристотель утверждал, что в реальном мире материя неразрывно связана с формой своего существования. Различаются две такие формы – вещество и физический вакуум. Свойства темной энергии таковы, что дают основания для отнесения ее к той же форме, к которой относится физический вакуум. Допустимы и обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума, и она неразрывно связана с присущими вакууму антигравитационными свойствами, иначе говоря, с силами гравитационного отталкивания.

За такими силами вырисовывается некий источник мощнейшей энергии, о наличии которого наука подозревала, но ничего конкретного до этого не знала. Ранее такой тогда еще неизвестный источник практически безграничной энергии П.Дэвис назвал «суперсилой», достаточной для создания вещественной Вселенной, наделения ее атомарным веществом, светом, энергией, и придания ей структуры. Задачей космологической науки в ближайшее время становится определение природы темной энергии, характера ее взаимодействия с веществом помимо обнаруживаемого сегодня гравитационного взаимодействия. Скорее всего, при этом можно будет понять не только участие темной энергии в создании вещественной Вселенной, но ее роль в наблюдаемых «катастрофических» процессах, связанных с выделениями огромных порций энергии. Речь может идти о квазарах, о взрывах Сверхновых, о черных дырах и могучих гамма-всплесках. Иначе говоря, о событиях, наблюдаемых сегодняшними астрономическими средствами. Например, 29 марта 2003 года в созвездии Льва зарегистрирован мощнейший гамма-всплеск. В видимом свете источник всплеска оказался ярче нескольких сотен миллиардов Солнц. Энергия, уносимая гамма-излучением, на порядки больше, чем выделяемая в видимом свете. А в целом астрономы считают, что в энергетическом плане это самое грандиозное событие после Большого Взрыва.

Термин «Вселенная» приобретает двойственный смысл. В общем представлении Вселенная включает в свой состав все формы материи, в том числе и возможные неоткрытые формы. Небольшой, но важной частью Вселенной является вещественная вселенная, состоящая из атомарного вещества и излучений. Для вещественного Мира справедлива существующая парадигма Развивающейся Вселенной. Но отсутствует общая космологическая парадигма, распространяющаяся на Вселенную в целом, которую космологи смогут сформировать только в результате того, что возрастет научный уровень понимания последних астрономических открытий, а также появления возможных новых, не менее значительных открытий.

Определенные перспективы в этом направлении дает теория струн. На протяжении всего прошлого века шло бурное проникновение физической науки в глубины строения вещества. Квантовая механика, казалось бы, остановила этот процесс, создав в виде итога стандартную модель вещества в микромире. Пределом проникновения вещества вглубь стали элементарные частицы вещества – кварки, лептоны и бозоны. Элементарными принято называть частицы, у которых не обнаруживается внутренняя структура, а их размер меньше 10-15 см, что не поддается измерению существующими приборами. В стандартной модели эти частицы принято считать точечными. Такое допущение помогает упростить рассмотрение той части микромира, которая снизу ограничивается элементарными частицами. Но выяснилось, что такое ограничение мешает решать определенные проблемы, возникающие на более глубоких уровнях материи.

Например, ОТО допускает, что в исходном состоянии, при рождении Вселенной, вещество было стянуто в точку и обладало бесконечно большой плотностью (сингулярность). А вот квантовая механика утверждала, что такое невозможно, начало Вселенной – это область квантово-гравитационного состояния, в которой классические представления ОТО не работают. Для описания протекающих в этой области процессов необходимо создать теорию, объединяющую квантовую механику с гравитацией. Но гравитация выпадает из рамок квантовой теории, поскольку считалось, что она не квантуется. Возникло понимание того, что подобные проблемы в принципе невозможно решить, если придерживаться модели точечности элементарных частиц. Необходима новая теория, учитывающая размерность таких частиц. Предлагаемым решением проблемы стала теория струн.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что на самых глубинах материи существует область, в которой бушуют квантовые флуктуации, своеобразный квантовый хаос. Верхняя граница области – размер 10–33 сантиметра (планковская длина), а ниже – всё, что меньше этого размера. Есть основание предполагать, что здесь начинается область существования структур темной энергии, в которой вещество пребывать не может. Но оттуда рождаются струны, которые становятся основой вещества во Вселенной.

Струны представляют собой одномерные объекты планковской длины, характеризуемые сильными натяжениями. Они находятся в состояниях непрерывных вибраций с различными гармониками, иначе называемыми колебательными модами. Существует вариант теории, где струны двухмерны и способны сворачиваться в кольца. Это две разные математические модели, используемые в теории. В зависимости от частоты вибрации натянутой струны, на уровне стандартной модели квантовой теории каждой отдельной колебательной моде отвечает одна из известных элементарных частиц.

Теория струн далека от завершения, но даже в таком виде она позволяет получить принципиально важные результаты, которые невозможно извлечь ни из классической физики, ни из квантовой механики. История и сегодняшнее состояние этой теории без привлечения математики подробно описаны в замечательной книге Брайана Грина «Элегантная Вселенная». В качестве примера, позаимствованного из книги Грина, коснусь одного из следствий теории струн.

Одна из возникающих колебательных мод образует мельчайший сгусток гравитационной энергии, квант гравитации, называемый гравитоном. Это позволяет сразу включить гравитацию в представления квантовой механики. Первым триумфом теории струн стало объединение общей теории относительности с квантовой механикой, чего не удавалось сделать, прилагая огромные к этому усилия, исходя из представлений точечных элементарных частиц. Другие колебательные моды соответствуют частицам сильного, слабого и электромагнитного квантов энергии. Теория струн дает реальную надежду, в конечном счете, создать так называемую «теорию всего», сделать то, что не удалось сделать Эйнштейну за 30 лет упорного труда – создать единую теорию поля. Как пишет Грин «Слияние гравитации и квантовой механики в единую теорию материи и взаимодействий приводит к революции в нашем понимании устройства Вселенной».

Несмотря на принципиальные успехи, вселяющие надежду на создание «теории всего», сегодня развитие теории струн встречает серьезные трудности. Специалисты считают, что в лучшем случае окончательный результат можно ожидать лишь к концу XXI века. Таким образом, взаимосвязанные, но не решенные проблемы темной энергии, гравитационного отталкивания, теории струн, целиком переносятся в ведение физической науки XXI века. Более того, в книге Грина отмечается возникновение совсем молодой науки – суперструнной космологии – и эта наука без сомнения будет объектом пристального внимания исследователей в течение ближайших лет. Эти исследования, возможно, убедят нас в существовании предела научного познания, но возможно и обратное: они возвестят о новой эре, в которой фундаментальное объяснение Вселенной будет, наконец, найдено.

В заключение имеет смысл остановиться еще на одной проблеме, частично затронутой выше. Способность тел притягиваться, не находясь в прямом контакте, в теории всемирного тяготения Ньютона, а также в ОТО Эйнштейна полагалась заложенной в природе самих вещественных тел. Но такие допущения вызывали определенные сомнения, поскольку процессы гравитационного притяжения требовали немалых энергетических затрат, а источник такой энергии оставался неизвестным. В случае гравитационных взаимодействий нарушается закон сохранения энергии. Например, сам процесс вращения Земли вокруг Солнца по публикуемым подсчетам требует вложения энергии, величина которой на несколько порядков превышает энергию, вырабатываемую в недрах Солнца в процессе термоядерного синтеза. Солнце не может быть источником необходимой энергии, создающей гравитацию. А что тогда говорить об энергии, потребляемой не только в Солнечной системе, но и во всей Вселенной в процессах притяжения тел.

Открытие господствующей в нашем мире темной энергии, достаточной не только для образования вещественной вселенной и обеспечения энергетических процессов, происходящих в период ее развития, дает основание рассматривать именно эту субстанцию в качестве источника той гигантской энергии, которая обеспечивает протекание гравитационных процессов во Вселенной. Напрашивается такая аналогия: в квантовой электродинамике качественно и количественно описывается возмущение вакуума: под воздействием электрического заряда возникает эффект поляризации вакуума и частичная экранировка электрического заряда. Аналогично можно предположить, что масса тела возмущает темную энергию и тем сильнее, чем больше величина массы. Реакция на возмущение приводит к рождению потока квантов гравитационной энергии – гравитонов. Но механизм преобразования выделившейся энергии в гравитационное притяжение может быть обоснован после того, как в XXI веке физическая наука выяснит природу темной энергии и характер ее взаимодействия с веществом.

В этой связи хочу обратить ваше внимание на статьи Александра Вильшанского, помещенные на сайте электронного семинара. Им выдвинуты и со своей стороны обоснованы интересные идеи о том, как потоки гравитонов, генерируемые внешним источником, взаимодействуют с телами, создавая гравитационное притяжение между ними.

Литература

1.. Ровинский Р. Синергетика и процессы развития сложных систем,
Вопросы философии, 2006, № 2, с.162-169

2. . Ровинский Р. Загадка темной энергии,
Вопросы философии, 2004, № 12, 103-108

3.. Ровинский Р. Несколько слов о книге Брайана Грина «Элегантная Вселенная»,

4. . Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная,
Издание второе, Иерусалим, 2001

5. . Грин Б. Элегантная Вселенная

6. . Вильшанский А. О возможной причине гравитации и следствий из нее.

7. . Вильшанский А. О затратах энергии на вращение планет

8. . Вильшанский А. Вращение планет вокруг Солнца.

Источник: Электронный научный семинар

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Добавить комментарий

You must be logged in to post a comment.

Международный Центр Рерихов Благотворительный Фонд имени Е.И.Рерих

Международный Совет Рериховских организаций имени С.Н. Рериха

Агнивести: новостной канал Рериховского движения Живая этика и искусство Живая этика и музыка Этика в основе каждого дня, живая этика, агни йога, пакт рериха, знамя мира группа Соратники,Юрий Рерих, защита наследия, квартира Юрия Рериха Всемирный день культуры

Agni-Yoga Top Sites