Теория относительности не оставляет без внимания вопросы космологии. Бесконечно или нет пространство? По представлениям общей теории относительности пространство имеет циклический профиль. Таким образом, можно себе представить, что наблюдатель, направивший свой взор из любой точки пространства через мощный телескоп, увидит собственный затылок!
Бесконечно ли существование мира? – еще один из вопросов современной физики. Физика утверждает, что вселенная возникла около 4 млрд. лет назад. Существует концепция Большого Взрыва, после которого Вселенная расширяется. Предполагается, что Вселенная будет расширяться еще некоторое время, а потом опять начнет сжиматься в точку. Из чего возникла Вселенная? Согласно одной концепции она возникла из ничего. Согласно другой – процесс расширения и сжатия Вселенной непрерывен и бесконечен.
Описанные выше положения теории относительности приводят к серьезным понятийным проблемам. Сущность ее заключается в том, что, как уже говорилось ранее, те понятия, к которым мы привыкли теперь означают нечто другое. Пространство, время, масса, считавшиеся ранее абсолютными и основными понятиями любого физического опыта, находятся теперь в сложной взаимосвязи. Тем не менее, теория относительности вносит новый абсолют: предельная скорость материального тела.
Критика и контрпредложения в отношении копенгагенской интерпретации квантовой теории.
Развитие квантовой теории сопровождалось критикой со стороны различных ученых. В. Гейзенберг выделяет три группы критиков. В первую группу входят те ученые, которых не устраивает язык самой теории. Те, кто пытался изменить саму теорию в том направлении, в котором ему казалось это правильным, входили во вторую группу. Третья группа представляла собой критиков, не удовлетворенных теорией, но не предлагавших ничего взамен.
Первую группу критиков составляли Бом, Блохинцев и Александров. Они пытались изменить язык и философию квантовой теории. Данной группе казалось, что неопределенность – ключевой момент теории – лишает ее объективности. Бом предлагал считать, что неопределенность связана с отсутствием учета некоторых параметров изучаемых систем. Блохинцев и Александров считали, что волновая функция имеет независимый от наблюдения характер и, следовательно, объективна.
Данные критики не понимали, что неопределенность состояния системы не тождественна необъективности ее изучения. То, что волновая функция содержит в себе результаты предыдущих наблюдений, говорит только о том, что те наблюдения изменили саму систему неким неизвестным нам образом. При изучении микромира физик имеет дело с вероятным исходом следующего наблюдения, которое опять внесет изменение в изучаемую систему. У нас нет более тонких инструментов, которые бы снизили уровень неопределенности. Элементарные частицы изучаются с помощью самих же элементарных частиц.
Следующий тип критики связан с изменением самой теории. Яношипредложил концепцию затухания волны вероятности, но данная концепция, по мнению В. Гейзенберга, лишь усложняет теорию и ничего существенного в понимании не вносит.
Третья группа критиков не удовлетворена квантовой теорией вообще. Эйнштейн и Лауэ не удовлетворены тем обстоятельством, что квантовая теория утверждает агностицизм. По их мнению, микроскопические процессы все же можно познавать со сколь угодно малой неопределенностью.
Шредингер считает, что волны вероятности имеют объективный характер и подобны световым. Это утверждение неверно по самому формализму, заложенному в определение волн вероятности, к тому же значение волновой функции зависит от фактов предыдущих наблюдений.
Квантовая теория и строение материи.
Данная глава книги В. Гейзенберга посвящена ключевому понятию науки и философии, а именно материи. Данное понятие рассматривается в контексте квантовой теории.
Что есть материя по Аристотелю? Это возможность (потенция), строительный материал, из которого построены все вещи. В самой материи заключена возможность построения из нее вещей еще не существующих, в этом и заключается свойство материи как возможности.
Рассмотрение материи как предельного основания всего сущего несколько скрадывает глубину и значимость материи. Понятие материи, на самом деле, многоуровнево. Рассмотрим эти уровни по отдельности.
Из чего построено всякое вещество? Атомы химических элементов образуют соединения посредством химической связи. Химическими методами можно поменять связи между атомами, но не затронуть типового свойства атома – превратить его в другой элемент. До открытия ядерных реакций понятие материи в основном сводилось к атомам и их взаимосвязям.
Открытие радиоактивности, эксперименты Резерфорда показали сложность строения атома. Атом содержит ядро и электроны. Расщепление ядер показало, что они в свою очередь, так же как и атомы, сложны. Вводится понятие элементарных частиц. Этими частицами являются нейтрон, протон и электрон. На сегодняшний день при данном уровне развития науки понятие материи сводится к элементарным частицам. Но это еще не предел.
Установлено, что столкновение элементарных частиц рождает новые элементарные частицы, но это не обломки первых, а такие же элементарные частицы. Частицы превращаются друг в друга, в излучение, поскольку их сущность – энергия, та самая потенция, о которой еще мыслил Аристотель. Более того, эти частицы в состоянии образовываться из кинетической энергии – энергии движущегося тела.
Энергия – подлинное бытие. Она же и есть материя, хотя не обязательно обладает плотностью, как это должно было бы быть при классическом подходе. Энергия это то, из чего все образуется и во что, в конечном счете, может превратиться.
Энергия воплощается в вещах, в излучении, во взаимодействиях тел – все это формы материи, а так же ее движения. Материя подчиняется единому уравнению. Ранее в математике было показано, что существует ограниченное число групп симметрии. Данные группы лежат в основе законов природы, точнее в их формальном математическом представлении. Универсальное уравнение материи так же симметрично относительно этих групп. Решения этого уравнения представляют собой элементарные частицы.
Не все так безоблачно с пониманием мира с позиций квантовой теории. Существует пока что непреодоленное противоречие между квантовой теорией и теорией относительности. Связано это с тем, что в теории относительности присутствует предельное ограничение точности по времени. Отсюда вытекает возможность сколь угодно больших энергий в соответствие с принципом неопределенности. Эта проблема может быть решена, если будет показано, что существует минимально возможное расстояние, которое, кстати сказать, вытекает из некоторого математического выражения с постоянной Планка и скоростью света.Минимальная длина должна иметь порядок 10-13 м. Пока экспериментального доказательства этого предположения нет.
Данное рассмотрение позволяет сделать вывод о том, что и древние мыслители имели некоторое правильное понимание проблемы материи. Материя действительно строительный материал и потенция, так как энергия это и возможность совершения некой работы, а так же источник возникновения элементарных частиц.
С другой стороны отчасти прав был Платон, когда говорил, что элементам – элементарным частицам в современном понимании – соответствует число, решение универсального уравнения материи в рамках квантовой теории.
Не стоит полагать, что древние философы уже, якобы, знали все то, до чего дошла современная наука. Их рассуждения были чисто умозрительными и в ряде случаев неверными. Реальная ситуация такова, что современные представления о материи можно соотнести с представлениями древних и увидеть много общего. Главная особенность современных взглядов это то, что они, в отличие от древних взглядов, подкреплены серьезнейшим эмпирическим материалом.
Язык и реальность в современной физике.
Средством обмена информацией является язык. Кроме передачи информации язык служит необходимым условием всякого мышления, возможности делать выводы. Наука требует специального языка, который бы оперировал с понятиями данной области деятельности. Первый шаг к созданию научного языка был сделан Аристотелем, создавшим логику – ничто иное, как точный язык. Данный язык, в отличие от обыденного, не содержит эмоциональных и других, не относящихся к науке, элементов.
Математический язык стал основным языком не только естественных наук, но и некоторых гуманитарных. Данный язык внутренне непротиворечив и позволяет делать выводы, которые невозможно было бы сделать на обычном бытовом языке.
Как математически доказать справедливость квантовой теории и теории относительности? Математические формулы квантовой теории и теории относительности переходят к классическим при условиях, что скорость движения тела много меньше скорости света, а так же при переходе с микроуровня на макроуровень. Таким образом, квантовая теория и теория относительности являются расширением ньютоновской механики. Возможность перехода к классическим законам в рамках математического формализма подтверждает справедливость квантовой теории и теории относительности.
Особенностью языка является неточность его понятий. В ряде случаев возникает путаница при использовании некоторых понятий, которые естественно взяты из обыденного языка. Без обыденного языка, кстати сказать, нам не удалось бы описать никакого опыта, прибора, установки.
Современное развитие физики показало, что необходимо четко себе представлять границы применимости и понятий. Пространство, время, частица, волна – все эти понятия имеют смысл лишь в том случае, когда они применяются в условиях границ применимости.
Квантовая теория идет еще дальше. Реальность заставляет физиков предлагать новую, неаристотелевскую логику. Оказывается, что закон исключенного третьего не выполняется на микроскопическом уровне. Пример. В некоем объеме существует атом, который мы наблюдаем с помощью излучения. Мысленно разделим объем на две части. Атом может находиться или в правой (условно) или в левой половине объема. При проверке излучением каждой из половин по отдельности, мы получим некоторые сигналы, отношение которых характеризует отношение вероятностей нахождения атома в обеих половинах. Если же теперь одновременно облучить обе половины, то, как это ни странно, сигнал не станет суммой предыдущих сигналов, что должно было быть при справедливости закона исключенного третьего.