Естествознания и соответствующих научных картин мира — Студопедия

Поделись  

Натурфилософская картина мира.В истории изучения природы можно выделить несколько этапов, каждому из которых соответствует не только свои представления о сути основных естественнонаучных понятий (таких как материя, движение, пространство, время), но и свое миропонимание (свои картины мира). Естественнонаучная картина мира – это система представлений о наиболее общих закономерностях в природе.

Первый этап в развитии естествознания охватывает достаточно протяженный временной интервал – от античных времен (начиная с VII в. до н.э.) до окончания эпохи Возрождения (XVI – XVII вв.). Этот этап часто называют натурфилософским, что вполне оправдано, т.к. процесс разделения накопленных знаний о природе на множество естественнонаучных дисциплин находился в зачаточном состоянии, а различные природные явления объяснялись главным образом на основе умозрительных философских рассуждений и принципов.

Основы современного естествознания были заложены в Древней Греции, в первую очередь, необходимо отметить заслуги ионийских философов (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит и другие). Величайшей заслугой ионийцев следует считать то, что, пытаясь познать и объяснить мир, они не прибегали к гипотезам о богах, а в поисках доказательств тех или иных своих предположений использовали не только мысленные, но и реальные физические эксперименты.

Появление принципиально иных традиций и иных методов познания в античной натурфилософии связано с именами Пифагора и Платона. Пифагору и его ученикам наука обязана, в первую очередь, возникновением традиции использования математических методов и математических доказательств, без которых современное естествознание представить невозможно. Пифагором и его последователями, в частности, созданы учения о подобии и о пропорциях, введены понятия средних величин, установлены правила суммирования членов простейших арифметических прогрессий.

В отличие от ионийцев, веривших, что мир можно и нужно изучать, используя в качестве методов наблюдение и эксперимент, Пифагор учил, что законы природы можно вывести исключительно из умозаключений. Его метод, по сути, можно назвать «антиэмпирическим». Неприязнь пифагорейцев к эксперименту, без которого невозможно установить, какая из альтернативных гипотез ближе к истине, привело к тому, что свободное столкновение противоборствующих точек зрения перестало поощряться, неудобные факты стали замалчиваться, началось сближение науки с мистицизмом. К сожалению, эти негативные тенденции впоследствии под влиянием таких авторитетов как Платон и Аристотель только усилились.

Творчество Аристотеля (384 – 322 до н.э.) поражает разнообразием затронутых проблем и является своего рода вершиной натурфилософского этапа развития естествознания. С Аристотеля начинается дифференциация натурфилософии, его многочисленные труды положили начало таким наукам, как физика и механика, космология и метеорология, биология и зоология, логика и психология.

Аристотель соединил в единое целое основные идеи античности и создал систему понятий и принципов, считавшихся фундаментальными в течение двух тысячелетий. Круг вопросов, которые удалось осветить Аристотелю, был столь широк, что вполне правомерно говорить о создании им картины мира.

Понятия материи, пространства и времени в аристотелевской картине мира связаны между собой, при этом трактовка материи такова, что существование пустоты не допускается. Равномерное движение может быть только насильственным, т.е. возможным только при наличии внешнего действия (силы), а падение тела на Землю Аристотель относил к

естественным движениям, при этом скорость падения тем больше, чем больше масса тела. Он считал, что пространство космоса ограниченно, Земля расположена в его центре, а звезды и планеты закреплены на твердых прозрачных средах. Источником движения и энергии, согласно Аристотелю, является разум мирового масштаба, т.е. бог.

Несмотря на противоречивость и ошибочность многих положений, аристотелевская картина мира благодаря своей цельности и многогранности стала широко пропагандироваться. Постепенно авторитет Аристотеля стал непререкаемым, а его учение стало считаться единственно верным учением о природе, что существенно тормозило развитие естествознания в Средние века. Однако ближайшие после смерти Аристотеля несколько столетий оказались весьма плодотворными для развития науки, имена, достижения и открытия древнегреческих ученых этого периода (Евклида, Архимеда и многих других) навечно вписаны в историю науки.

В Средние века вследствие значительного усиления влияния церкви на общество развитие науки практически остановилось. Догматическое следование каким-либо канонам и нормам всегда приводит к торможению развития, это правило справедливо для любой области человеческой деятельности, но к науке относится в первую очередь. За тысячу лет в Европе не было сделано ни одного заслуживающего внимания научного открытия. Некоторое развитие науки наблюдалось лишь на Востоке, где религиозное давление на нее было не таким сильным, как в Европе (учение о двойственности истины – религиозной и научно-философской – позволило арабской цивилизации, по крайней мере, избавиться от инквизиции).

Благодаря усилиям арабских ученых возникает алгебра, разрабатываются учения о прецизионных измерениях, в том числе об очень точном взвешивании, алхимия становится все более похожей на химию.

Механистическая картина мира.Эпоха Нового времени начинается с XVII века, к этому веку относят начало второго этапа в развитии естествознания, с этим веком связано создание классической механики и первой научной картины мира. Свой вклад в процесс очищения естествознания от метафизических натурфилософских представлений внесли Леонардо да Винчи, Коперник, Галилей, Гюйгенс, Кеплер и многие другие выдающиеся ученые XVI-XVII вв.

Ньютон, которому по праву принадлежит основная заслуга в становлении нового мировоззрения, не только внес решающий вклад в разработку классической механики, ему удалось создать первую научную картину мира, которую называют механической или механистической картиной мира (МКМ).

В рамках МКМ гравитационные силы (силы взаимного притяжения) связывают все существующие тела, но заметными эти силы становятся лишь в мегамире.

В частности, эти силы связывают в единую систему все планеты, обращающиеся вокруг Солнца. В качестве универсальных принципов взаимодействия тел в МКМ используются принцип суперпозиции (результирующее действие на тело определяется векторной суммой всех приложенных к нему сил) и принцип дальнодействия (действие передается с бесконечно большой скоростью, т.е. мгновенно). При движении тела под действием приложенных сил изменяются его импульс (количество движения) и механическая энергия. К основным законам, имеющим в рамках МКМ универсальный характер, помимо закона всемирного тяготения и законов механики, относятся законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Работы Ньютона (не только физические открытия, но и развитый им совместно с Лейбницем и другими учеными математический аппарат) предопределили дальнейшее развитие физики и всего естествознания, незыблемым основанием которого стала считаться классическая механика. Ньютон, а вслед за ним и другие ученые считали возможным вывести из законов механики все остальные законы природы. Обусловленное таким подходом механистическое мировоззрение господствовало в естествознании вплоть до ХХ века. В рамках этого мировоззрения материальный мир рассматривался как огромная механическая система, поведение которой (включая движение всех ее частей) полностью определяется законами классической механики. Отсюда следовал вывод о том, что в природе действует неумолимая необходимость, позволяющая рассчитать как прошлое, так и будущее любой материальной частицы.

Успехи классической механики привели к закреплению представлений об универсальности причинной обусловленности и об исключительно детерминистском характере любых закономерностей в природе. Становление концепции механистического детерминизма в значительной степени связано с усилиями французского математика, философа и астронома П. Лапласа. Преобладающей в этой концепции стала идея о том, что любое состояние Вселенной есть следствие предыдущих и причина последующих ее состояний. В рамках МКМ отсутствуют представления о развитии, в ней нет места каком-либо качественным преобразованиям, а суть всех наблюдаемых явлений сводится к чисто количественным изменениям.

В XVIII-XIX вв. были обнаружены и исследованы явления (тепловые, электрические, магнитные и др.), теоретическая интерпретация которых в рамках МКМ оказалась невозможной. Законы механики не могли дать ответа на многие вопросы, в частности, на вопросы о природе необратимости тепловых процессов, тем более, о природе света и электромагнитного поля. Постоянство скорости света, вытекающее из теории электромагнитного поля и подтвержденное эмпирически, противоречило классическому принципу относительности и механическому принципу сложения скоростей. В конечном итоге, ученым пришлось признать несостоятельными попытки использовать механистический подход для описания электромагнитных, химических и др. явлений и процессов и отказаться от признания универсальной роли механики в естествознании.

Электромагнитная картина мира.Существенные изменения в представлениях о сути многих фундаментальных понятий естествознания, произошедшие в начале ХХ века, связаны, в первую очередь, с обнаружением электромагнитного поля. Понятие «поле» ввел в научный оборот английский физик М. Фарадей, основоположник учения об электромагнетизме. В 1831 г. Фарадей, исходя из идеи о взаимной связи явлений природы, открыл явление электромагнитной индукции. В 1845 г. он первым высказал смелое предположение о наличии глубокого родства электричества и света. Считая, что электрические и магнитные воздействия передаются промежуточной средой, Фарадей внес свой вклад в возрождение натурфилософских представлений о существовании светоносного эфира.

«Поле сил» Фарадея первоначально рассматривалось как абстрактное математическое понятие, но очень скоро другой выдающийся английский физик Дж. К. Максвелл придал этому понятию конкретный физический смысл. Им была создана исключительно стройная теория электромагнитного поля. В 1888 г. немецкий физик Г. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, а также высказанную Фарадеем и теоретически обоснованную Максвеллом гипотезу о единой физической сущности света и электричества. Герцу впервые удалось осуществить беспроводную передачу электромагнитной энергии и экспериментально измерить длину (а значит, и скорость распространения) электромагнитной волны. Так было уставлено существование качественно нового вида материи – электромагнитного поля.

Исследования в области электромагнетизма очертили пределы применимости механистического подхода при описании природы. С середины ХIХ века МКМ рассматривается уже только как часть физической картины мира, хотя механистические представления оставались главенствующей концептуальной базой естествознания вплоть до ХХ века. Тем не менее, МКМ начала постепенно уступать свои позиции новой – электромагнитной картине мира (ЭКМ).

В рамках МКМ все явления природы физики, как уже отмечалось, стремились свести к механическим. Точно так же в рамках новой картины мира наблюдается стремление свести все явления (включая и механические) к электромагнетизму. Концепция дальнодействия Ньютона в ЭКМ заменяется концепцией близкодействия Фарадея. С появлением ЭКМ в познании окружающего мира был сделан существенный шаг вперед, ученым удалось объяснить многие природные явления, не подававшиеся ранее объяснению. В то же время необходимо отметить, что в ЭКМ, точно так же, как в МКМ, все происходящее в природе оставалось жестко предопределенным.

В начале ХХ века создание физической картины мира представлялось ученым практически завершенным. После грандиозных успехов классической теории казалось, что в этой картине остается уточнить лишь несколько не очень существенных деталей. Некоторое смущение, например, вызывало наличие статистических закономерностей, обнаруженных и исследованных Максвеллом и Больцманом, приходилось выводить эти закономерности за рамки картины мира, отказывая им в фундаментальности.

Вскоре после создания электродинамики выяснилось, что вид уравнений Максвелла не сохраняется при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е. был выявлен различный характер движения вещества и поля. Разрешить возникшее противоречие удалось выдающемуся ученому А. Эйнштейну, создавшему в 1905 г. специальную теорию относительности (СТО). Найденное Эйнштейном решение потребовало радикального пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства, времени, материи и движения. Отдав предпочтение в описании свойств природы законам электродинамики, Эйнштейн дополнил ЭКМ идеей относительности пространства-времени, сформулировал новый принцип сложения скоростей, установил взаимосвязь между массой тела и его энергией.

Квантово-полевая (неклассическая) картина мира.С созданием СТО классическая механика Ньютона стала рассматриваться как частный случай релятивистской (от лат. relativus – относительный) механики. Необходимость учета релятивистских поправок при определении массы тела, длины отрезка или промежутка времени возникает лишь при очень высоких (приближающихся к скорости света) скоростях движения тел, а в мире обычных скоростей (в макромире) законы классической механики остаются справедливыми.

С открытием электронов и явления радиоактивного распада стало ясно, что необходимо отказаться от представлений о неизменности и неделимости атомов. Для объяснения законов фотоэффекта и некоторых свойств электромагнитного излучения (спектральное распределение излучения абсолютно черного тела, линейчатый характер спектра излучения и поглощения атомов) также потребовались новые идеи, появление которых тесно связано с выявлением сложной структуры атомов. Все эти идеи легли затем в основу новой (неклассической) механики, создание которой ознаменовало начало нового этапа в развитии физики и всего естествознания. Соответствующую этому этапу естественнонаучную картину мира называют неклассической или квантово-полевой.

Первые квантовые идеи были высказаны в 1900 г. немецким физиком Планком, которому удалось теоретически рассчитать зависимость спектральной плотности мощности излучения абсолютно черного тела от частоты. Для решения этой задачи ему пришлось выдвинуть поразительную по тем временам гипотезу, согласно которой энергия при излучении испускается не непрерывно, а дискретными порциями (квантами). В соответствии с этой гипотезой энергия одного кванта пропорциональна частоте излучения:

Е = hν,

коэффициент пропорциональности h = 6,626·10^-34 Дж·с в этом выражении, получивший впоследствии название постоянная Планка, пополнил перечень универсальных мировых констант.

Планк выдвинул свою гипотезу только для частного случая – с целью объяснения спектра теплового излучения. Через 5 лет А. Эйнштейн, используя данную гипотезу, объяснил, почему энергия электронов, вырываемых из вещества падающим светом(фотоэлектронов) зависит только от частоты света и не зависит от его интенсивности. Для обозначения кванта света Эйнштейн ввел понятие фотон (от греч. fotos — свет), подчеркнув тем самым, что дискретную порцию света следует рассматривать как частицу квантовой природы.

Эйнштейновская теория фотоэффекта положила начало развитию представлений о двойственной (корпускулярно-волновой) природе света. Развивая эти представления, французский физик Луи де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу о наличии волновых свойств у частиц материи, и вскоре после этого была обнаружена дифракция электронов.

Современная картина мира.В настоящее время близок к завершению процесс формирования новой (современной) естественнонаучной картины мира, которую чаще всего характеризуют как эволюционно-синергетическую.

В рамках классического естествознания мир устроен просто и подчиняется детерминистским и обратимым во времени фундаментальным законам. Научную рациональность было принято усматривать лишь в вечных и неизменных законах, а все временное и преходящее рассматривалось как иллюзия. Современное естествознание отличается от классического, в первую очередь, отказом от сформулированных предпосылок. Было выяснено, что обратимость и жесткий детерминизм в окружающем нас мире применимы только в простых предельных случаях, а существующие в природе не иллюзорные, а вполне реальные случайность и необратимость необходимо рассматривать скорее как общее правило, чем как исключение. Одним из принципиальных отличий современной картины мира от МКМ и ЭКМ является признание идей необратимости времени и глобального эволюционизма, в соответствии с которыми материя и Вселенная в целом не могут существовать вне развития.

Предпосылки проникновения эволюционных идей в физику появились еще в начале XIX века – в 1811 г. французский физик и математик Ж.Б. Фурье установил, что теплота самопроизвольно может передаваться только от более нагретых тел к менее нагретым. Другими словами, было установлено, что тепловые процессы являются принципиально необратимыми, и, строго говоря, с этого времени физика уже не укладывалась в рамки классической механики Ньютона и в рамки концепции детерминизма. Тем не менее, вплоть до середины XX в. эволюционное учение интенсивно развивалось лишь в рамках его прародительницы – биологии. В научных дисциплинах биологического профиля современный эволюционизм предстает как многоплановое учение, ведущее поиск закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже биогеоценотическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и структура нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), найдены методы определения последовательностей нуклеотидов в них и т. п.

Несмотря на то, что на уровне живой материи и, тем более, на социальном уровне эволюционные изменения и их необратимость вполне очевидны, в физике долгое время сохранялась иллюзия обратимости времени. Причина заключалась в том, что классическая механика – это механика обратимых процессов, способных протекать как в прямом, так и в обратном направлении, и, соответственно, обратимых систем, способных возвращаться в исходное состояние. Пропасть, отделявшая в XIX в. науки о живом от наук о неорганическом мире была столь глубокой, что перебраться через нее ученые в то время так и не смогли. Естественные науки, прежде всего физика и астрономия, долгое время оставались в стороне от эволюционных идей. Вселенная в целом представлялась ученым равновесной и неизменяемой, и, поскольку время ее существования считалось бесконечным, то вполне вероятным представлялось появление (в результате случайных локальных возмущений) наблюдаемых неравновесных образований (галактик, звезд, планетных систем и т. д.). Противоестественным явлением, или артефактом (лат. arte — искусственно + factus. — сделанный), выглядело и появление жизни на нашей планете. Считалось, что такого рода «отклонения» в существовании Вселенной — явления временные, с остальным космосом не связанные.

«Антиэволюционные» убеждения физиков впервые были поколеблены в 20-х гг. ХХ века после открытия нестационарности Вселенной и появления затем гипотезы Большого Взрыва. Зарождение Вселенной, согласно этой гипотезе, выводится из некоего исходного сверхплотного состояния (сингулярности) с последующей эволюцией, приведшей в конечном счете к ныне наблюдаемому облику. Таким образом, в середине ХХ в. идея эволюции завладела космологией, а затем физикой и естествознанием в целом. Эволюционную концепцию современного естествознания можно сформулировать следующим образом: «Все существующее есть результат эволюции», а представление о всеобщем характере эволюции является одной из главных отличительных черт современной научной картины мира.

Вторая отличительная черта современной картины мира связана с возникновением в 70-х гг. прошлого века нового междисциплинарного направления – синергетики, претендующей на описание движущих сил эволюции любых объектов нашего мира. Появление синергетики (другое название – теория самоорганизации) связано со стремлением ученых понять причины существенной асимметрии процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало сформировавшееся под воздействием равновесной термодинамики убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). В основе этой тенденции лежит тот факт, работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Другими словами, во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует направленность, выделенная самой природой.

«Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Для отражения направленности перераспределения энергии в замкнутых системах Клаузиус ввел в термодинамику новое понятие — «энтропия» (от греч. entropia – превращение, поворот). В последствии под энтропией стали понимать меру беспорядка системы), а более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

В соответствии со вторым началом термодинамики любая изолированная система со временем должна перейти в наиболее простое состояние – состояние термодинамического равновесия. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что и эквивалентно хаосу. Вывод, неизбежно следующий из 2-го начала, достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т. е. равномерно распределится между всеми элементами системы. Если Вселенная замкнута, то и ее ждет именно такая незавидная участь (это состояние Вселенной получило название «Тепловая смерть»).

Примеров, подтверждающих справедливость второго закона термодинамики, на уровне неживой материи более чем достаточно. Однако, живая природа почему-то вовсе не стремилась к термодинамическому равновесию и хаосу. Более того, процесс развития растительного и животного мира (в полном соответствии с дарвиновской теорией эволюции) характеризовался непрерывным усложнением этого мира, возрастанием уровня организации и порядка живых систем. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов, стало ясно, что принцип возрастания энтропии не столь универсален, как казалось поначалу, и что для сохранения непротиворечивости общей картины мира в развитии материи должна существовать не только разрушительная, но и созидательная тенденция. На этой волне и возникла синергетика — теория самоорганизации.

Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в том, что процессы разрушения и созидания во Вселенной равноправны, а процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным формам.



404 Cтраница не найдена

Размер:

AAA

Изображения Вкл. Выкл.

Обычная версия сайта

К сожалению запрашиваемая страница не найдена.

Но вы можете воспользоваться поиском или картой сайта ниже

Университет Майкопский государственный технологический университет – один из ведущих вузов юга России. История университета Анонсы Объявления Медиа Представителям СМИ Газета «Технолог» О нас пишут Ректорат Структура Филиал Политехнический колледж Медицинский институт Лечебный факультет Педиатрический факультет Фармацевтический факультет Стоматологический факультет Факультет послевузовского профессионального образования Факультеты Кафедры Ученый совет Дополнительное профессиональное образование Бережливый вуз – МГТУ Новости Объявления Лист проблем Лист предложений (Кайдзен) Реализуемые проекты Архив проектов Фабрика процессов Рабочая группа «Бережливый вуз-МГТУ» Вакансии Профсоюз Противодействие терроризму и экстремизму Противодействие коррупции WorldSkills в МГТУ Научная библиотека МГТУ Реквизиты и контакты Работа МГТУ в условиях предотвращения COVID-19 Документы, регламентирующие образовательную деятельность Система менеджмента качества университета Опрос в целях выявления мнения граждан о качестве условий оказания образовательных услуг Абитуриентам Подача документов онлайн Абитуриенту 2022 Экран приёма 2022 Иностранным абитуриентам Международная деятельность Общие сведения Кафедры Новости Центр международного образования Академическая мобильность и международное сотрудничество Академическая мобильность и фонды Индивидуальная мобильность студентов и аспирантов Как стать участником программ академической мобильности Дни открытых дверей в МГТУ Подготовительные курсы Подготовительное отделение Курсы для выпускников СПО Курсы подготовки к сдаче ОГЭ и ЕГЭ Онлайн-курсы для подготовки к экзаменам Подготовка школьников к участию в олимпиадах Малая технологическая академия Профильный класс Индивидуальный проект Кружковое движение юных технологов Олимпиады, конкурсы, фестивали Архив Веб-консультации для абитуриентов Олимпиады для школьников Отборочный этап Заключительный этап Итоги олимпиад Профориентационная работа Стоимость обучения Студентам Студенческая жизнь Стипендии Организация НИРС в МГТУ Студенческое научное общество Студенческие научные мероприятия Конкурсы Команда Enactus МГТУ Академическая мобильность и международное сотрудничество Образовательные программы Подготовка кадров высшей квалификации Аспирантура Ординатура Расписание занятий Расписание звонков Онлайн-сервисы Социальная поддержка студентов Общежития Трудоустройство обучающихся и выпускников Информация о Центре Цели и задачи центра Контактная информация Положение о центре Договоры о сотрудничестве с организациями, предприятиями Партнеры Работодателям Размещение вакансий Ярмарки Вакансий Студентам и выпускникам Вакансии Стажировки Карьерные мероприятия Карьерные сайты Сегодня Современный Государственный Университет — это один из самых крупных многопрофильных вузов Поволжья, обеспечивающий формирование интеллектуального потенциала и способствующий социально-экономическому развитию региона. HeadHunter Работа в России Факультетус Карьерные возможности для лиц с инвалидностью и ОВЗ Трудоустройство иностранных студентов Обеспеченность ПО Инклюзивное образование Условия обучения лиц с ограниченными возможностями Доступная среда Ассоциация выпускников МГТУ Перевод из другого вуза Вакантные места для перевода

Наука и инновации Научная инфраструктура Проректор по научной работе и инновационному развитию Научно-технический совет Управление научной деятельностью Управление аспирантуры и докторантуры Точка кипения МГТУ О Точке кипения МГТУ Руководитель и сотрудники Документы Контакты Центр коллективного пользования Центр народной дипломатии и межкультурных коммуникаций Студенческое научное общество Новости Научные издания Научный журнал «Новые технологии» Научный журнал «Вестник МГТУ» Научный журнал «Актуальные вопросы науки и образования» Публикационная активность Конкурсы, гранты Научные направления и результаты научно-исследовательской деятельности Основные научные направления университета Отчет о научно-исследовательской деятельности в университете Результативность научных исследований и разработок МГТУ Финансируемые научно-исследовательские работы Объекты интеллектуальной собственности МГТУ Результативность научной деятельности организаций, подведомственных Минобрнауки России (Анкеты по референтным группам) Студенческое научное общество Инновационная инфраструктура Федеральная инновационная площадка Проблемные научно-исследовательские лаборатории Научно-исследовательская лаборатория «Совершенствование системы управления региональной экономикой» Научно-исследовательская лаборатория проблем развития региональной экономики Научно-исследовательская лаборатория организации и технологии защиты информации Научно-исследовательская лаборатория функциональной диагностики (НИЛФД) лечебного факультета медицинского института ФГБОУ ВПО «МГТУ» Научно-исследовательская лаборатория «Инновационных проектов и нанотехнологий» Научно-техническая и опытно-экспериментальная база Центр коллективного пользования Конференции Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки и образования» VI Международная научно-практическая онлайн-конференция Международная деятельность Иностранным студентам Международные партнеры Академические обмены, иностранные преподаватели Академическая мобильность и фонды Индивидуальная мобильность студентов и аспирантов Как стать участником программ академической мобильности Объявления Факультет международного образования Информация о факультете Международная деятельность Кафедры Кафедра русского языка как иностранного Кафедра иностранных языков Центр Международного образования Академическая мобильность Контактная информация Контактная информация факультета международного образования Сведения об образовательной организации

Квантовая физика | New Scientist

Что такое квантовая физика? Проще говоря, именно физика объясняет, как все устроено: это лучшее из имеющихся у нас описание природы частиц, составляющих материю, и сил, с которыми они взаимодействуют.

Квантовая физика лежит в основе того, как работают атомы, и поэтому химия и биология работают именно так. Ты, я и столб ворот — по крайней мере, на каком-то уровне мы все танцуем под квантовую мелодию. Если вы хотите объяснить, как электроны движутся через компьютерный чип, как фотоны света превращаются в электрический ток в солнечной панели или усиливаются в лазере, или даже просто как продолжает гореть солнце, вам нужно использовать квантовую физику. .

Здесь начинается трудность, а для физиков и веселье. Начнем с того, что не существует единой квантовой теории. Есть квантовая механика, базовая математическая основа, которая лежит в основе всего этого, которая была впервые разработана в 1920-х годах Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и другими. Он характеризует простые вещи, такие как изменение положения или импульса отдельной частицы или группы из нескольких частиц с течением времени.

Но чтобы понять, как все работает в реальном мире, квантовая механика должна быть объединена с другими элементами физики — главным образом, со специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро — чтобы создать то, что известно как квантовая теории поля.

Три разные теории квантового поля имеют дело с тремя из четырех фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя: электромагнетизм, который объясняет, как атомы удерживаются вместе; сильное ядерное взаимодействие, объясняющее стабильность ядра в сердцевине атома; и слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.

За последние пять десятилетий или около того эти три теории объединились в ветхую коалицию, известную как «стандартная модель» физики элементарных частиц. При всем впечатлении, что эта модель слегка скреплена липкой лентой, это наиболее точно проверенная картина основной работы материи из когда-либо созданных. Ее венец пришелся на 2012 год с открытием бозона Хиггса, частицы, которая дает массу всем другим фундаментальным частицам, существование которой было предсказано на основе квантовых теорий поля еще в 1964.

Традиционные квантовые теории поля хорошо подходят для описания результатов экспериментов на ускорителях частиц высокой энергии, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, где был открыт бозон Хиггса, который исследует материю в ее мельчайших масштабах. Но если вы хотите понять, как все работает во многих менее эзотерических ситуациях — как электроны движутся или не движутся через твердый материал и, например, превращают материал в металл, изолятор или полупроводник, — все становится еще сложнее.

Миллиарды и миллиарды взаимодействий в этих переполненных средах требуют разработки «эффективных теорий поля», которые затушевывают некоторые кровавые детали. Трудность построения таких теорий заключается в том, что многие важные вопросы в физике твердого тела остаются нерешенными — например, почему при низких температурах некоторые материалы являются сверхпроводниками, которые пропускают ток без электрического сопротивления, и почему мы не можем заставить этот трюк работать при комнатной температуре. .

Но за всеми этими практическими проблемами лежит огромная квантовая тайна. На базовом уровне квантовая физика предсказывает очень странные вещи о том, как работает материя, которые полностью расходятся с тем, как все работает в реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы, находящиеся в одном месте; либо они могут действовать как волны, распространяясь по всему пространству или сразу в нескольких местах. То, как они появляются, похоже, зависит от того, как мы решили их измерить, и до того, как мы их измерим, кажется, что они вообще не обладают определенными свойствами, что приводит нас к фундаментальной загадке о природе базовой реальности.

Эта нечеткость приводит к очевидным парадоксам, таким как кот Шредингера, в котором благодаря неопределенному квантовому процессу кошка остается мертвой и живой одновременно. Но это не все. Квантовые частицы также, по-видимому, способны мгновенно воздействовать друг на друга, даже если они находятся далеко друг от друга. Это поистине сбивающее с толку явление известно как запутанность или, по выражению Эйнштейна (великого критика квантовой теории), «призрачное действие на расстоянии». Такие квантовые возможности совершенно чужды нам, но они лежат в основе новых технологий, таких как сверхбезопасная квантовая криптография и сверхмощные квантовые вычисления.

Но что все это значит, никто не знает. Некоторые люди думают, что мы должны просто признать, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем согласовать с нашим опытом в более широком, «классическом» мире. Другие думают, что должна быть какая-то лучшая, более интуитивная теория, которую нам еще предстоит открыть.

При этом в комнате несколько слонов. Начнем с того, что существует четвертая фундаментальная сила природы, которую квантовая теория до сих пор не могла объяснить. Гравитация остается территорией общей теории относительности Эйнштейна, строго неквантовой теории, в которой даже не участвуют частицы. Напряженные десятилетия, направленные на то, чтобы поместить гравитацию под квантовый зонтик и таким образом объяснить всю фундаментальную физику в рамках одной «теории всего», ни к чему не привели.

Тем временем космологические измерения показывают, что более 95 процентов Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, материалов, для которых у нас в настоящее время нет объяснения в рамках стандартной модели, и загадок, таких как степень роли квантовой физики в беспорядочном работы жизни остаются необъяснимыми. Мир на каком-то уровне квантовый, но вопрос о том, является ли квантовая физика последним словом о мире, остается открытым.

• Пройдите наш курс квантовой физики под руководством экспертов и откройте для себя принципы, лежащие в основе современной физики

Параллельные миры квантовой механики

Современная физика богата предположениями о мультивселенных и параллельных реальностях. Но существуют очень разные способы возникновения множественных вселенных, и один из самых умопомрачительных — многомировая формулировка квантовой физики — также и один из самых правдоподобных.

Английский язык сформировался задолго до того, как на сцену вышла современная физика, поэтому неудивительно, что такие слова, как «мир» и «вселенная», имеют неоднозначное значение. Когда вы слышите, как физики говорят о «мультивселенной», скорее всего, они думают о космологический мультивселенная. Звучит довольно грандиозно, и это так, но на самом деле это не набор отдельных вселенных. Скорее, это относится к совокупности областей пространства, настолько далеких, что они ненаблюдаемы для нас, где условия очень разные. Могут быть другие частицы, другие силы, даже другое количество измерений пространства, чем то, что мы видим вокруг себя.

Подробнее о квантовой физике:

• Квантовая теория поля: «Нечестивый гибрид квантовой физики в плохом настроении и каждой кнопки, которую вы никогда не нажимаете на калькуляторе»
• Живые и мертвые: почему пора переосмыслить квантовую физику

Космологическая мультивселенная была изобретена не потому, что физики думали, что было бы круто иметь кучу вселенных. Она возникает естественным образом как следствие других спекулятивных идей, включая теорию струн и космологическую инфляцию. Но именно потому, что эти идеи сами по себе являются спекулятивными, космологическую мультивселенную следует рассматривать как спекулятивную в квадрате. Он вполне может существовать, но единственное, что можно сказать прямо сейчас, это то, что мы на самом деле не знаем.

Множественные «миры» квантовой механики — это нечто совершенно другое. Они недалеко — но только потому, что они вообще нигде не «находятся». И они естественным образом возникают из простейшей версии нашей наиболее надежно проверенной физической теории — квантовой механики. Я бы сказал, что многие миры квантовой механики, вероятно, существуют. (Не все согласны со мной в этом.)

Чтобы понять, почему, мы должны подумать о том, как работает квантовая механика. Рассмотрим электрон, который является элементарной частицей, имеющей определенное фиксированное количество величины, называемой спином. Когда мы измеряем его вращение, мы получаем только один из двух возможных ответов: он вращается вверх или вниз относительно той оси, по которой мы его измеряли.

Это и так странно — почему только два возможных ответа? Но еще более странно то, что мы не всегда можем предсказать, каким будет результат этого измерения. Мы можем подготовить электрон в «суперпозиции» спина вверх и вниз, так что будет некоторая вероятность наблюдать каждый результат. Физики описывают состояние электрона в терминах «волновой функции», которая говорит нам, какая часть состояния электрона имеет спин вверх, а какая — вниз. Мы можем использовать волновую функцию для расчета вероятности каждого результата измерения.

Естественно думать, что действительно существует какой-то ответ на то, как вращается электрон, но мы просто не знаем, что это такое, а волновая функция заключает в себе наше невежество. Это была первоначальная надежда таких людей, как Альберт Эйнштейн. Но это не сработало; чем больше мы проводим экспериментов и чем больше понимаем внутреннюю работу квантовой механики, тем больше кажется, что волновая функция действительно существует. Это не просто характеризует наши знания, это реальное физическое состояние электрона.

Альберт Эйнштейн считал, что волновая функция представляет собой свойство частицы, которое еще не было измерено. (Фото предоставлено Hulton Archive/Getty Images)

Возникает проблема, а именно: почему волновые функции развиваются по-разному, когда вы смотрите на них, а когда нет? Согласно учебнику квантовой механики, волновая функция сама по себе эволюционирует в соответствии с простым уравнением, впервые записанным Эрвином Шрёдингером. Но когда мы измеряем систему, ее волновая функция перестает быть суперпозицией и внезапно «схлопывается» до какого-то конкретного результата измерения, например, при вращении вверх.

Больше похоже на это

Это бред. Что вы подразумеваете под «мерой»? Должен ли это быть человек, производящий измерения, или любое сознательное существо имеет значение? Может это видеокамера? Как быстро это происходит и как система отличает измерения от любых других видов физического взаимодействия?

Эти вопросы, известные под общим названием «проблема измерения» квантовой механики, беспокоили Хью Эверетта, аспиранта Принстонского университета в XIX веке.50-е годы. Идея Эверетта заключалась в том, чтобы помнить, что наблюдатели — кем бы они ни были, от людей до видеокамер — сами по себе являются квантовыми системами. Они описываются волновыми функциями, и эти волновые функции сами могут эволюционировать в суперпозиции.

И они не только могут, они обязательно делают, если вы просто постулируете, что все подчиняется уравнению Шредингера, фундаментальному уравнению квантовой механики. Рассмотрим какой-нибудь прибор, который измеряет спин электрона, так что он имеет в качестве указателя, который может указывать либо «вверх», либо «вниз». Если это точное устройство, то всякий раз, когда мы подаем в него электрон, который вращается исключительно вверх, стрелка будет надежно указывать «вверх». И так же для спин-даун.

Узнайте больше о квантовой физике:

• Квантовая теория: причудливый мир телепортации, тихоходок и запутанности
• Существуют ли квантовые эффекты, которые мы можем наблюдать в повседневной жизни?

Так что, если мы снабдим наш аппарат электроном, который находится в суперпозиции спина вверх и спина вниз? Предсказание уравнения Шредингера совершенно однозначно: комбинированная система электрона и прибора эволюционирует в суперпозицию «электрон имеет спин вверх, и прибор измерял его как спин вверх» и «электрон был спином вниз». , и прибор измерил его вращение».

Аппаратом это не заканчивается. Вы подчиняетесь правилам квантовой механики, поэтому у вас есть волновая функция, и вы можете существовать в суперпозициях. И как только вы взглянете на стрелку на своем приборе, вы станете частью суперпозиции, где одна часть заставляет вас думать: «Я видел, как измерено, что электрон вращается вверх», а другая часть заставляет вас думать: «Я видел, как измеряли, что электрон движется вверх». вращение вниз».

Все согласны с тем, что именно это и предсказывает уравнение Шредингера. Когда люди не согласны, что с этим делать.

Основатели квантовой механики достаточно здраво рассуждали, что никто никогда не испытывал нахождения в такой суперпозиции. Поэтому они придумали новое правило, согласно которому часть волновой функции волшебным образом исчезает, и с тех пор этому мы учим наших студентов.

Движение Эверетта было прямолинейным и терапевтическим. Он просто сказал: «Обе части волновой функции существуют точно так, как предсказывает уравнение Шрёдингера. Но они представляют собой два разных, невзаимодействующих мира». Другими словами, идея состоит в том, что каждый раз, когда вы думаете, что происходит квантовое измерение, на самом деле вселенная разветвляется на множество миров, каждый из которых совершенно одинаков, за исключением результата этого измерения.

Важно подчеркнуть, что Эверетт не добавил все дополнительные миры; они уже были там, и возможность их существования открылась, как только физики заговорили о суперпозициях и волновых функциях. Все, что Эверетт сделал, это сказал: «И все в порядке». Не все согласны с тем, что это нормально; существует множество других формулировок квантовой теории, каждая из которых очень усердно работает над тем, чтобы избавиться от всех других миров.

Но зачем? Как только миры созданы, мы больше не можем с ними взаимодействовать. Если по какой-то причине мы решили основывать важные жизненные решения на измерении спина электрона, мы можем обдумать идею о том, что версия нас самих в другой ветви волновой функции сделала другой выбор и живет соответственно своей жизни. Но мы не можем поговорить с ними, чтобы обменяться мнениями. Другие миры для нас недоступны. Их существование помогает упростить математику, но они должны влиять на то, как мы живем.

Существует множество возражений разной степени респектабельности против многомировой формулировки Эверетта о квантовой механике. Некоторые утверждают, что это слишком экстравагантно, со всеми этими мирами. Но потенциал для миров есть в любой версии квантовой теории, для которой волновая функция представляет реальность. Множественные миры на самом деле являются самой простой и наименее сложной версией квантовой механики, которую мы можем себе представить. Это просто волновые функции, подчиняющиеся уравнению Шрёдингера, не больше и не меньше.

Еще одно возражение состоит в том, что эту теорию нельзя опровергнуть, поскольку мы не можем наблюдать другие миры. Но миры — это не теория; они являются предсказанием теории. Чтобы фальсифицировать теорию, нам просто нужно провести эксперимент, несовместимый с одним из ее предсказаний. В случае с Эвереттом все просто; просто найдите пример, в котором волновая функция не подчиняется уравнению Шредингера, даже если она не взаимодействует. В других формулировках квантовой механики это может произойти, но не во многих мирах. Карл Поппер, который популяризировал идею о том, что научные теории должны быть фальсифицируемыми, был очень впечатлен многомирностью (и был яростным критиком квантовой механики из учебников).

Но остаются открытыми вопросы, которые до конца еще не решены. Теория многих миров — худая и подлая теория, но, возможно, слишком худая и подлая; здесь очень мало структуры, на которую можно положиться, поэтому такие вопросы, как «Почему вероятности ведут себя так, а не иначе?» и «Почему классическая механика так хорошо аппроксимирует мир, который мы видим?» трудно ответить.

Ничего страшного, физики любят решать сложные вопросы. Мы должны быть благодарны Хью Эверетту за то, что он завещал нам богатый набор параллельных вселенных, так что мы ответим им всем хотя бы в некоторых из них.