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.
Tags: вакуум, время, диссертации, знание, идеи, измерения, исследования, квантовая механика, материя, метод, микромир, мировоззрение, Наука, опыт, открытие, открытия, парадигма, природа, проблемы, проблемы физической науки, процесс, развития сложных систем, реальность, решение, Синтез, система, структура, темная энергия, тенденции, теория струн, термодинамика, физика, эксперимент, элемент, энергия, явление
