Erwin Schrödinger. What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер - австрийский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике. Один из разработчиков квантовой механики и волновой теории материи. В 1945 г. Шредингер пишет книгу "Что такое жизнь с точки зрения физики?", оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Основополагающим является вопрос: "Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?" Прочтение этой книги даст не только обширный теоретический материал, но и заставит задуматься над тем, что же в сущности есть жизнь?

Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: РИМИС, 2009. 176 с.
Скачать:

Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: Атомиздат, 1972. 62 с.
Скачать:

Источник текстовой версии: Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: Атомиздат, 1972. 62 с.

Комментарии: 2

Елена Наймарк

Возникновение сложного из простого - это, казалось бы, злостное нарушение второго закона термодинамики. Второй закон требует постепенного выравнивания градиентов, разупорядочивания элементов и увеличения энтропии в системе. Тем не менее жизнь так специально устроена, чтобы поддерживать градиенты, упорядочивать элементы и уменьшать энтропию. Эти принципы справедливы как для одного организма, так и для целых экосистем, биот, эволюционных последовательностей. Значит ли это, что жизнь действительно противоречит законам физики?

Владимир Буданов, Александр Панов

На грани безумия

В обыденном окружении чаще всего призывают к целесообразности мыслей, поступков, решений. И, кстати, синонимы целесообразности звучат как «уместность, полезность и рациональность…» Вот только на интуитивном уровне кажется - чего-то не хватает. Энтропии? Беспорядка? Так его полно в физическом мире - утверждает ведущая программы, доктор физико-математических наук, Карима Нигматулина-Мащицкая. А гости программы пытались воссоединить в единое целое два понятия - энтропию и целесообразность. Участники программы: доктор философских наук, кандидат физико-математических наук, Владимир Буданов, и доктор физико-математических наук, Александр Панов.

Питер Эткинз

Эта книга предназначена для широкого круга читателей, желающих узнать больше об окружающем нас мире и о самих себе. Автор, известный ученый и популяризатор науки, с необычайной ясностью и глубиной объясняет устройство Вселенной, тайны квантового мира и генетики, эволюцию жизни и показывает важность математики для познания всей природы и человеческого разума в частности.

Игорь Иванов

Неравновесная термодинамика, изучающая, среди прочего, самоорганизацию в живых системах, получила в распоряжение новую модельную систему, удобную как для теоретических расчетов, так и для постановки экспериментов, - двумерную пену.

Денис Тарасов

Современная наука не в состоянии точно ответить на вопрос, как возникла жизнь, однако предложенные на сегодняшний день механизмы свидетельствуют о принципиальной возможности самозарождения, а также, в определённой степени, о его неизбежности.

Дэвид Дойч

Книга известного американского специалиста по квантовой теории и квантовым вычислениям Д.Дойча фактически представляет новую всеобъемлющую точку зрения на мир, которая основывается на четырех наиболее глубоких научных теориях: квантовой физике и ее интерпретации с точки зрения множественности миров, эволюционной теории Дарвина, теории вычислений (в том числе квантовых), теории познания.

Щербаков В. П.

Эволюция – это способ живого противостоять энтропии, нарастающему хаосу и беспорядку. Она творит разные новшества, но естественный отбор сохраняет только те из них, что придают организмам устойчивость к дальнейшим изменениям, те, что позволяют им воспроизводить свои копии в длинном ряду поколений, практически не меняясь. Как это ни странно, но получается, что эволюция работает против себя самой.

Реферат

«Что такое жизнь с точки зрения физики?»

Выполнила:

Проверил:

2007г.

1. Общие принципы неклассической физики

К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся на протяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин. Важнейшей, естественной наукой является физика, изучающая законы функционирования неорганической формы материи на макро- и микроуровне; астрофизика, предметом которой является свойства и эволюция локальных астрономических объектов; косметология, моделирующая эволюцию Вселенной в целом (мегауровне). Современная наука характеризуется осознанием целостности своих объектов и взаимосвязанности законов их существования.

Физика по-прежнему остается одной из ведущих дисциплин в естествознании. Современная физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных знаний о закономерностях существования неорганической материи, об основаниях целостности и многообразия явлений природы. Современная физика исходит из ряда фундаментальных предпосылок:

Во-первых, она признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности, законы современной физики не всегда демонстративны, в некоторых случаях их наглядное подтверждение - опыт - просто невозможен;

Во-вторых, современная физика утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамира - мира космических объектов и систем; макромира - мира макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромира - мира микрообъектов, молекул, атомов, элементарных, частиц и т.п.

Классическая физика изучала способы взаимодействия и строение макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная же физика (квантовая) занимается изучением микромира, соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мегамир - предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики;

В-третьих, неклассическая физика утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения, т.е. от познающего эти процессы человека (принцип дополнительности);

В-четвертых, современная физика признает существование ограничений на описание состояния объекта (принцип неопределенности);

В-пятых, релятивистская физика отказывается от моделей и принципов механистического детерминизма, сформулированного в классической философии и предполагавшего возможность описать состояние мира в любой момент времени, опираясь на знание начальных условий. Процессы в микромире описываются статистическими закономерностями, а предсказания в квантовой физике носят вероятностный характер.

При всех различиях современная физика, так же как и классическая механика, изучает законы существования природы. Законпонимается как объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся и существенная связь между явлениями и событиями. Любой закон имеет ограниченную сферу действия.

Например, распространение законов механики, оправдывающих себя в пределах макромира, на уровень квантовых взаимодействий недопустимо. Процессы, происходящие в микромире, подчиняются другим законам. Проявление закона зависит также от конкретных условий, в которых он, этот мир, реализуется, изменение условий может усилить или, напротив, ослабить действие закона. Действие одного закона корректируется и видоизменяется другими законами.

Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями предмета. Иначе говоря, динамические закономерности повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Например, динамическими законами являются законы классической механики.

Классическое естествознание абсолютизировало динамические закономерности. Совершенно верные представления о взаимной связи всех явлений и событий в философии XVII-XVIII веков привели к неправильному выводу о существовании в мире всеобщей необходимости и об отсутствии случайности. Такая форма детерминизма получила название механистического. Механистический детерминизм говорит о том, что все типы взаимосвязи и взаимодействия механические и отрицает объективный характер случайности. Например, один из сторонников этого типа детерминизма, Б.Спиноза, считал, что мы называем явление случайным только вследствие недостатка наших знаний о нем. Следствием механистического детерминизма является фатализм - учение о всеобщей предопределенности явлений и событий, которое фактически сливается с верой в божественное предопределение.

Проблема ограниченности механистического детерминизма особенно четко обозначилась в связи с открытиями в квантовой физике. Закономерности взаимодействий в микромире оказалось невозможным объяснить с точки зрения принципов механистического детерминизма. Сначала новые открытия в физике привели к отказу от детерминизма, однако позже способствовали формированию нового содержания этого принципа. Механистический детерминизм перестал ассоциироваться с детерминизмом вообще. М.Борн писал: «… что новейшая физика отбросила причинность, целиком необоснованно». Действительно, современная физика отбросила или видоизменила многие традиционные идеи; но она перестала бы быть наукой, если бы прекратила поиски причин явлений. Причинность, таким образом, не изгоняется из постклассической науки, однако представления о ней меняются. Следствием этого становятся трансформация принципа детерминизма и введение понятия статистических закономерностей.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений, и имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, так как они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает в результате взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма. Примерами статистических закономерностей являются законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие ве роятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.

2. Современные представления о материи, в пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

На границе XIX-XX веков в физике произошел кризис, который был связан с невозможностью объяснить новые эмпирические данные с помощью законов и принципов, сформулированных в рамках механистической парадигмы. Кризис и последовавшая за ним научная революция способствовали тому, что на смену классической физике, построенной на принципах механики И.Ньютона, пришла новая фундаментальная теория - специальная теория относительности А.Эйнштейна, которая возникла на границе между механикой И.Ньютона и электромагнитной теорией Дж.Максвелла, как результат попыток устранить логические противоречия, существовавшие между этими двумя концепциями.

Специальная теория относительности распространила принципы относительности, сформулированные еще Г.Галилеем для механических систем, на электромагнитные взаимодействия. Ряд опытов, проведенных физиками в конце XIX в., показал, что скорость света остается неизменной во всех системах координат независимо от того, движется излучающий свет источник или нет. Однако эти выводы противоречили принципу относительности Г.Галилея.

В конце XIX в. преобладало представление о том, что мировое пространство заполнено особым эфиром, в котором распространяются световые волны. Для того, чтобы обнаружить движение Земли относительно эфира, американский физик А.Майкельсон в 1887 году решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному и вертикальному направлениям относительно Земли. Согласно гипотезе светоносного эфира время прохождения света по этим направлениям должно различаться. Но результат эксперимента показал неизменность скорости света в обоих направлениях. Такой вывод противоречил классическим представлениям о том, что координаты и скорости должны преобразовываться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Скорость света оказалась не зависящей от движения Земли.

Для объяснения результатов эксперимента А.Майкельсона X.Лоренц вывел уравнения, позволяющие вычислить сокращение движущихся тел и промежутков времени между событиями, которые происходят в зависимости от скорости движения объектов. Преобразования X.Лоренца предполагали реальное сокращение тел и промежутков времени.

В 1905г, А.Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой объяснил результаты опытов А.Майкельсона и изложил основные положения специальной теории относительности. А.Эйнштейн распространил принцип относительности на все системы и сформулировал его иначе, чем Г.Галилей: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой. Таким образом, было преодолено представление об эталонной абсолютной системе отсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом, а принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер.

Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной; инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится.

Специальная теория относительности установила также инвариантность материальных процессов и скорости света относительно преобразований X.Лоренца. А.Эйнштейн показал, что преобразования X.Лоренца отражают не реальные сокращения тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от движения системы отсчета. Тела сокращаются, а время замедляется для внешнего наблюдателя, тогда как внутри движущейся системы все физические процессы протекают обычным образом.

А.Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантнос ти скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300000 км/с.

А.Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного, не соответствующего физическому опыту представления о свойствах пространства и времени как абсолютных и неизменных, так и из неверного представления об абсолютной одновременности событий.

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции, которая окончательно сформировалась в Новое время. Ее основой стали онтологические представления философов XVII века и И.Ньютона. Пространство в механике И.Ньютона - это пустое вместилище для вещества. Пространство - однородно, неподвижно и трехмерно. Время - совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. В субстанциональной концепции пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов.

Субстанциональная концепция пространства и времени адекватно вписывалась в механистическую картину мира, предлагаемую классической философией, и соответствовала уровню развития науки XVIIв. Но уже в эпоху Нового времени появляются идеи, которые характеризуют пространство и время вразрез с субстанциональными представлениями. Так, Г.Лейбниц считал, что пространство и время - это особые отношения между объектами и процессами и независимо от них не существуют. Пространство - порядок сосуществований тел, а время - порядок последовательностей событий. Г. Лейбниц утверждал, что существует связь материи с пространством и временем: «мгновения в отрыве от вещей ничто, и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».

Несколько позже Г.Гегель отмечал, что движущаяся материя, пространство и время связаны друг с другом, а с изменением скорости протекания процессов меняются и пространственно-временные характеристики. Г. Гегель, в частности, говорил: «Мы не можем обнаружить никакого пространства, которое было бы самостоятельным. Оно всегда есть наполненное пространство и нигде не отличается от своего наполнения». Впервые же идеи о пространстве, которые можно характеризовать как реляционные, были высказаны античными философами. Так, Аристотель критиковал Демокрита и отрицал существование пустоты. Пространство, по его мнению, есть система естественных мест, занимаемых материальными объектами.

В законченном виде реляционная концепция пространства и времени сложилась после создания общей и специальной теорий относительности А.Эйнштейна и неевклидовой геометрии Н. Лобачевского.

Так, А.Эйнштейн пришел к выводу об универсальности и всеобщности принципа относительности: не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой. Следствием этого вывода стало признание относительности измерений размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна. То же самое относится и ко времени: время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, а размеры тел сокращаются, если наблюдать за ними, находясь за пределами самой движущейся системы.

Таким образом, в специальной теории относительности размеры тел и время протекания процессов ставятся в прямую зависимость от системы отсчета, в которой производится их измерение . Оказалось, что физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя. Иначе, для адекватного описания релятивистских явлений фактор наблюдателя становится существенным.

Еще одним важным следствием теории А.Эйнштейна стало признание относительности, массы тела, которая была поставлена в зависимость от скорости его движения. Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии, а энергия зависит от скорости движения. Известная формула Е - тс 2 выражает это отношение.

Общая теория относительности (или гравитационная теория), созданная А.Эйнштейном в 1916 г., позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением. Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями. К подобным выводам привели следующие размышления о существовании двух способов определения массы тела: через ускорение (инертная масса) и через притяжение в поле тяготения (гравитационная масса). Эквивалентность инертной и гравитационной масс была известна еще в классической физике. Специальная теория относительности установила зависимость инертной массы от скорости движения тела.

Перед физиками встал вопрос: существует ли зависимость между движением и гравитационной массой?.

Оказалось, что метрика пространства - времени зависит от силы гравитационного поля, которое создается веществом. Массы вещества создают особое поле тяготения, материя влияет на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле, из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности. В 1919г. во время солнечного затмения наблюдалось отклонение луча света вблизи поверхности Солнца, что свидетельствовало об изменении свойств пространства.

Вывод А.Эйнштейна гласил: в зависимости от гравитационных масс время замедляется или, напротив, ускоряется, а пространство искривляется. Кривизна пространства измеряется отклонением от классических правил геометрии Евклида. Так, например, в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180°. Однако сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы, больше 180°, а на седловидной поверхности - меньше 180°. Поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхность седла - отрицательной. Величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны. Инерциальное движение точки в таком пространстве осуществляется не прямолинейно и равномерно, а по геодезической линии искривленного пространства.

Идею искривленного пространства положительной кривизны предложил Б.Риман, отрицательной - Н.И.Лобачевский. Еще в 1829г. Лобачевский в работе «Начала геометрии» доказал, что возможна непротиворечивая геометрия, отличная от считавшейся единственно возможной евклидовой геометрии. Ученый показал, что свойства пространства зависят от свойств движущейся материи, окончательный же ответ на вопрос о свойствах пространства, по мнению Н.И.Лобачевского, должны дать астрономические наблюдения. Немного позже, в 1867г., вышла в свет работа Б.Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», в которой он также высказывал идею зависимости свойств пространства от материальных тел. Физическое пространство может быть искривлено, однако искривлено ли оно на самом деле, должен, по мнению Б.Римана, решить эксперимент.

Общая теория относительности А.Эйнштейна соединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени. Выводы общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Оказалось, что признанные классическими субстанциональные представления не являются окончательными и единственно верными.

Реляционная парадигма предполагает рассмотрение пространства и времени как систем отношений между взаимодействующими объектами. Пространство и время неразрывно связаны друг с другом и составляют единый пространственно-временной континуум. Кроме того, их свойства напрямую зависят от характера протекающих в них материальных процессов. Выводы общей теории относительности получили экспериментальное подтверждение после открытия явления красного смещения спектров звезд и отклонения луча света под действием поля тяготения.

Несмотря на достаточно убедительные доказательства общей теории относительности и ее всеобщее признание, в физике продолжаются попытки создания альтернативных теорий тяготения и гравитации. Основание для этого дает сама теория А.Эйнштейна. Например, фундаментальные свойства нашего мира, как однонаправленность времени или трехмерность пространства, рассматриваются теорией относительности просто как данность. Их происхождение и материальная основа не объясняются.

Кроме того, в основе теории относительности лежит предположение: «скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью физических процессов». Однако нет никаких доказательств абсолютности запрета на существование сверхсветовых скоростей. В связи с этим в современной физике рассматривается гипотеза тахионов - частиц, которые движутся с большей скоростью, чем скорость света. Гипотеза тахионов допускает, что досветовые и сверхсветовые частицы представляют собой принципиально различные типы частиц, которые нельзя преобразовать друг в друга путем изменения их скорости. Иными словами, тахионы рождаются и умирают, не преодолевая световой барьер, всегда имея скорость больше скорости света. Существование подобных частиц с совершенно непривычными для нас свойствами меняет описание процессов, протекающих в природе. Парадоксальность тахионов не может служить основанием для вывода о невозможности их существования, важно то, что теоретически мыслимые свойства тахионов не противоречат законам, лежащим в основе современной физики. Экспериментальные поиски сверхсветовых эффектов пока не увенчались успехом, в связи с этим вопрос о существовании тахионов остается открытым.

Новые концепции тяготения и гравитации пока не обладают большим эвристическим потенциалом, эстетической привлекательностью и простотой, т.е. не соответствуют принятым в современной науке критериям отбора и предпочтения теорий. Тем не менее, не вызывает сомнения, что поиски альтернативных теорий будут продолжаться. Как говорил А.Эйнштейн, «наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными».

В современной науке пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность - равномерность всех возможных направлений, т.е. инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Свойства изотропности и однородности пространства являются следствием его симметричности, т.е. независимости от изменения физических условий. Трехмерность описывает тот факт, что положение любого объекта в пространстве может быть определено с помощью трех независимых величин.

Понятие многомерного пространства существует пока только как математическое, а не как физическое. Основания трехмерности наблюдаемого пространства ищутся в структуре некоторых фундаментальных процессов, например, в строении электромагнитной волны и фундаментальных частиц. Один из российских исследователей этой проблемы, Л.М.Гиндилис, утверждает, что мы можем изучать п -мерные миры лишь мысленно, но для нас закрыты возможности для их экспериментального изучения. Так, математический анализ показывает, что при п > 4 не могут существовать замкнутые устойчивые орбиты движения тел. Это в свою очередь означает, что планеты должны либо падать на центральное тело в планетной системе, либо уходить в бесконечность, т.е. в многомерных мирах невозможно существование аналогов планетных систем и атомов. Следовательно, невозможна жизнь. Таким образом, единственное значение параметра и, которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, равно именно этот мир мы и наблюдаем.

Времени приписываются свойства: длительнос ти, необратимости, однородности и одномерности. Длительность времени интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность времени означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость, его однонаправленность от прошлого к будущему, скорее всего, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.

Идею о едином пространственно-временнум континууме в конце XIX веке предложил немецкий математик и физик Г.Минковский, поэтому четырехмерный пространственно-временной континуум называют миром Минковского. В этом мире положение тела может быть определено с помощью четырех величин: трех пространственных и одной временной.

3. Основные идеи и принципы квантовой физики

В 1900г. немецкий физик М.Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М.Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж.Максвелла. Эксперименты М.Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М.Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

Опираясь на идеи М.Планка, А.Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов - фотонов. Гипотеза А.Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта - выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А.Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

Объяснение процесса фотоэффекта опиралось, помимо квантовой гипотезы М.Планка, также на новые представления о строении атома. В 1911г. английский физик Э.Резерфорд предложил пла нетарную модель атома. Модель представляла собой атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается только тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. В 1913г. датский физик Н.Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э.Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н.Бора звучали следующим образом:

1.Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2.Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н.Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

Несмотря на быстрое признание теория Н.Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

В действительности состояния электрона могут меняться. Н.Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом - как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».

В 20-30-е гг. В.Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории - квантовой механики. В 1924г. в работе «Свет и материя»

Л. де Бройль высказал предположение об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э.Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы - это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э.Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного, точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. В.Гейзенберг в работе «Физика атомного ядра» изложил свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотно шения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы - координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъекте. Таким образом, заключил В.Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы», - писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это обстоятельство не связано с несовершенством измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы - это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики - принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности - указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики - статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются неотъемлемыми свойствами материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

Понятия «система» существует несколько десятков определений, однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л.Берталанфи: система - это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Под элементом понимается - неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, рассматриваемые в качестве элемента системы, сами могут становиться системами. Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве систем, элементами которых являются атомы.

Атом - тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ и т.д. Элементами системы признаются только те предметы, явле ния или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т.п. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности.

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостностях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы является живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные и наоборот.

Кроме типологии систем в зависимости от характера связи между элементами системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого - неупорядоченность и хаос. Открытые сис темы, напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации.

Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро- и микромира; и Метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность, и трансформацией самих структур. Единство упорядоченности - системности, и внутренней расчлененности - структурности, определяет существование мира как системы систем: систем объектов, систем свойств или отношений и т.п.

Элементами структуры микромира выступают микрочасти цы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансными. Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. XXв.. Время жизни резонансов - порядка 10-22 с.

Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы- - переносчики взаимодей ствий.

Все перечисленные частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т.п.

В 1936г. П.Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936г. был открыт позитрон - античастица электрона, в 1955г. - антипротон, в 1956г. - антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» - античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. XX века в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970-1974 гг. В 1998г. получены первые атомы антиводорода.

К середине 60-х гг. XX в. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы - физики М.Гелл-Манн и Д.Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М.Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки - это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц - кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков - дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (uр - верхний), d(down- нижний), s (strange- странный), с (сharm- очарование), b (beauty- прелесть) и t (tор - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.

Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе и М.Ханом, И.Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединяясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п.

Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный- антисиний и т.п., т.е. глюон. состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.

Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях - меняют аромат, но сохраняют цвет. Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.

5. Фундаментальные физические взаимодействия

Способность к взаимодействию - важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVIIвеке. Теория гравитации И.Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации - это силы притяжения.

В последнее время физики высказывают предположение о существовании гравитационного отталкивания, которое действовало в самые первые мгновения существования Вселенной, однако эта идея пока не подтверждена. Гравитационное взаимодействие - наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.

Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж.Максвелла. В отличие от гравитационной силы электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле - между двумя покоящимися заряженными частицами, маг

нитное - между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.

В середине XX в. была создана квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, которая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. В 1965г. ее авторы С.Томанага, Р.Фейнман и Дж.Швингер были удостоены Нобелевской премии. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц - электронов и позитронов.

Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 60-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Физик В.Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях - не более 10 -22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 70-е гг. XXв. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории элек трослабого взаимодействия. Ее создатели С.Вайнберг, А.Салам и С.Глэшоу в 1979г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10 -17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый ас пекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX веке, в рамках теории Фарадея-Максвелла электричество, магнетизм и свет, в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие также было открыто только в XXв. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10 -13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Д.И.Менделеева, неустойчи вы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.

Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хро модинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромодинамика продолжает развиваться, и хотя ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, тем не менее, эта физическая теория имеет прочную экспериментальную базу.

В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10 -29 см) и при большой энергии (более 10 14 ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет пока только теоретический характер, проверить его экспериментально до сих пор не удалось.

Различные конкурирующие между собой теории Великого объединения по-разному интерпретируют космологию. Например, предполагается, что в момент рождения нашей Вселенной существовали условия, в которых все четыре фундаментальных взаимодействия проявлялись одинаковым образом. Создание теории, объясняющей на единых основаниях все четыре типа взаимодействий, потребует синтеза теории кварков, квантовой хромодинамики, современной космологии и релятивистской астрономии.

Однако поиск единой теории четырех типов фундаментальных взаимодействий не означает, что невозможно появление иных трактовок материи: открытие новых взаимодействий, поиск новых элементарных частиц и т.п. Некоторые физики высказывают сомнение в возможности единой теории. Так, создатели синергетики И.Пригожий и И.Сгенгерс в книге «Время, хаос, квант» пишут; «надежду на построение такой "теории всего", из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить» и обосновывают свой тезис закономерностями, сформулированными в рамках синергетики.

Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов, странности и др.

Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире. В физике под симметрией понимается инвариантность, неизменность системы относительно ее преобразований, т.е. относительно изменений ряда физических условий. Немецким математиком Эммой Нетер была установлена связь между свойствами пространства и времени и законами сохранения классической физики. Фундаментальная теорема математической физики, называемая теоремой Нетер, гласит, что из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени - закон сохранения энергии, а из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса. Эти законы носят фундаментальный характер и справедливы для всех уровней существования материи.

Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии, т.е. инвариантности, неизменности структуры материальных объектов относительно преобразований, или изменения физических условий их существования.

Итак, законы сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства, закон сохранения момента импульса - с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией относительно специальных преобразований волновых функций, описывающих частицы.

Список использованной литературы:

1.	Ансельм А.И. Очерки развития физической теории в первой трети 20 века. М.: Наука, ГРФМЛ, 1986.
2.	Гейзенберг В. Картина природы в современной физике// Природа. (1987). №6
3.	Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989
4.	Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М., 1980
5.	Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современногоестествознания. М.: Высшая школа., 1998, 592с.
6.	Карнап Р. Философские основания физики. М., 1971, 390с.
7.	Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.:, ЮНИТИ, 1997, 520с.
8.	Лобачевский Н.И., Риман Б., Клиффорд В., Эйнштейн А., Мах Э., Гроссман М., Гильберт Д., Шварцшильд К., Керр Р., Петров А.З., Фок В.А., де Ситтер В., Фридман А.А., и др. Альберт Эйнштейн и теория гравитации, 1979, 592 с.
9.	Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2002, 704с.
10.	Хелзин Ф., Мартин А. Лептоны и кварки. М., 1987
11.	Шредингер Э. Новые пути к физике: статьи и речи, Наука.: 1971
12.	Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика. - М., 1972

Собственно говоря, своим существованием человек нагло и демонстративно нарушает второй закон термодинамики. Согласно этому закону, все физические процессы в конечном итоге направлены в сторону энтропии (термодинамического равновесия), а ведь органическая жизнь возникла явно вопреки энтропийной направленности мира. Попробуем вскипятить чайник и выключить газовую горелку. Через энное количество времени температура воды в чайнике сравняется с температурой воздуха *.

Это и есть грубая модель действия энтропии. Если нет энергетической подпитки извне, любое физическое тело (материя) стремится прийти в равновесие с окружающей средой, приблизиться к максимально хаотическому состоянию. В этом смысле цель бытия материи - энергии - максимально равномерное (и в тепловом, и в динамическом смысле) рассредоточение в пространстве. И вот в этой стройной логической схеме, "как незаконная комета в кругу расчисленных светил", обнаруживается органическая жизнь, стремящаяся противостоять энтропии, создающая антиэнтропийную модель бытия.

Внутри человеческого организма (как и у всех других видов органической материи) есть своего рода "газовая горелка", рассчитанная на определенный срок работы. Живой организм - упорядоченная структура, с помощью метаболизма (обмена веществ) противостоящая переходу в равновесие с окружающей средой. Впрочем, еще в 1955 году Эрвин Шредингер возражал против примитивного трактования метаболизма как основы жизни.

"...Представляется нелепостью,- писал он,- чтобы главным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. так же хорош, как любой другой атом того же элемента. Что же достигается их обменом? Одно время наше любопытство удовлетворялось утверждением, что мы питаемся энергией. В ресторанах некоторых стран вы могли бы найти карточки-меню, указывающие цену каждого блюда и содержание в нем энергии (калорий). Нечего и говорить, что это нелепость, ибо во взрослом организме содержание энергии так же постоянно, как и содержание материи. Каждая калория, конечно, имеет ту же ценность, что и любая другая, поэтому нельзя понять, чему может помочь простой обмен калорий".

Что же тогда составляет драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти? На это легко ответить, считает Шредингер. "Каждый процесс, явление, событие (назовите его, как хотите), короче говоря, все, что происходит в Природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию, которая представляет собой нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим. Отрицательная энтропия - это то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив".

Разъясняя механизм задержки перехода живого организма к термодинамическому равновесию (т. е. к смерти), неуклюжее выражение "отрицательная энтропия" Шредингер заменяет выражением "энтропия, взятая с отрицательным знаком, которая "есть сама по себе мера упорядоченности". Человеческий организм может противостоять смерти, лишь поддерживая себя на достаточно высоком уровне упорядоченности. Для этого ему нужно извлекать упорядоченность ив окружающей среды, дабы компенсировать энтропийные процессы, идущие в клетках. Вот почему живой организм не может питаться химическими веществами в первозданном виде, то есть - находящимися на низкой стадии упорядоченности. Нам для питания необходимо крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях.

Следующий вопрос, который мы задаем себе, исходя из теории "отрицательной энтропии", таков: почему же мы все-таки умираем, несмотря на то, что можем отлично питаться "органической упорядоченностью"? Умирают даже миллионеры, которые могут поглощать "отрицательную энтропию" любого качества и количества. Дело в том, что противостоянием энтропии в нашем организме заведует специальная программа, заложенная в наших генах. Программа эта рассчитана на определенный срок работ, после которого приводные ремни управления организмом рвутся, и тело начинает разрушаться по частям. (К вопросу о том, кто заложил в нас эту программу, мы еще вернемся.) Раньше ученые считали, что клетки человека могут делиться бесчисленное количество раз. Но Леонард Хайфлик обнаружил печальное для нас качество клеток - предел их деления. Таким образом, подтвердилась блестящая догадка Шредингера о сходстве между часовым механизмом и организмом. Это сходство, по словам физика, просто и исключительно сводится к тому, что в основе последнего лежит твердое тело - апериодический кристалл, образующий наследственное вещество, не подверженное воздействию беспорядочного теплового движения.

"Но, пожалуйста, не ставьте мне в вину,- кокетливо оправдывается Шредингер,- что я будто бы называю хромосомные нити "зубцами органической машины", но крайней мере, не делайте этого без ссылки на те глубокие физические теории, на которых основано сходство. Потому что действительно не нужно большого красноречия, чтобы напомнить основное различие между ними и оправдать для биологического случая эпитеты - новый и беспрецедентный.

Существует ряд очень простых вопросов, ответы на которые кажутся нам столь очевидными, что выдаются автоматически, без подключения мыслительного аппарата.


К примеру, всем, от мала до велика, известно, что такое холод. С точки зрения физики ответ будет далеко не простым, поскольку затронет основополагающие понятия этой науки.

Существует ли холод?

Многим из нас вопрос, существует ли вообще холод, покажется нелепым и бессмысленным. Конечно, холод существует, ведь вы не раз его ощущали и даже испытывали из-за него дискомфорт. Но если посмотреть внимательнее, мы увидим, что понятие холода – это всего лишь производное от понятия тепла: когда тепла много, мы ощущаем жар, когда его недостаточно – чувствуем холод.

Таким образом, с точки зрения физики, холода объективно не существует, это всего лишь недостаточное количество тепла. Согласно одной из легенд, популярных в мире учёных, впервые на эту проблему обратил внимание Альберт Эйнштейн, причём ещё в то время, когда был студентом.

При помощи собственных ощущений мы можем определять тепло и холод в достаточно узком диапазоне температур: всё, что нагрето выше 60-70 градусов Цельсия, будет для нас «очень горячим», а всё, что имеет температуру ниже нуля по Цельсию – «очень холодным».

Что говорят учебники физики?

Если открыть учебник физики, то именно это в нём и написано: холод – это состояние сравнительно низкой температуры, выражаемое в субъективном ощущении либо сравнении с более тёплым состоянием окружающей среды, предмета, субстанции. Т.е., говоря простыми словами, это недостаток тепла. На самом деле, какое-то количество тепла присутствует практически всегда, но если оно нам кажется недостаточным, то мы называем это состояние холодом.


В физике существует понятие абсолютного нуля, при котором вещества лишены тепловой энергии. Абсолютный нуль соответствует –273,15 градусам Цельсия, и в природе он возможен лишь в космическом вакууме и при полном отсутствии света или других излучений. В этом состоянии хаотическое движение элементарных частиц, свойственное всем без исключения веществам, полностью прекращается. Стоит веществу, находящемуся в состоянии полного покоя, получить хотя бы один квант тепловой энергии, движение частиц возобновляется.

Чем выше температура нагрева вещества, тем активнее и энергичнее движутся составляющие его частицы. Как известно, именно с этим связан процесс испарения: наиболее активные и подвижные отрываются от основной массы и в дальнейшем перемещаются уже среди молекул воздуха или иного газа.

Если же лишить частицы тепловой энергии, они становятся значительно менее подвижными. Внешне это выражается в выпадении капель конденсата или намерзании кристалликов инея на твёрдых поверхностях.

Охлаждение – процесс отъёма тепла

Чтобы сделать какой-либо предмет холодным, надо всего лишь отнять у него тепло, передав его излишек другому предмету или среде. Так, зимой достаточно поставить слишком горячий чай на открытый балкон, чтобы через несколько минут он остыл, отдав своё тепло окружающей среде. Летом мы, наоборот, охлаждаем свой напиток, бросая в стакан кусочки льда, которые постепенно тают, забирая лишнее тепло у сока или лимонада.

По принципу отъёма излишков тепла работают все современные холодильные установки. Изъятие тепловой энергии происходит за счёт испарения хладагента – специального вещества, которое активно испаряется при низкой температуре. Атомы хладагента отбирают тепловую энергию у воздуха, находящегося в камере холодильника, а тот, в свою очередь, охлаждает стенки камеры и лежащие на полках продукты.

Итак, что же такое холод?

Основываясь на вышеописанных примерах, мы можем уверенно утверждать: с точки зрения физики холода не существует. То, что мы называем холодом – всего лишь состояние недостаточного, с нашей точки зрения, тепла.


В целом же понятия «тёплого» и «холодного» являются нашими субъективными ощущениями: все предметы и среды, нагретые выше температуры нашего тела, будут казаться нам тёплыми или горячими, а всё, что имеет более низкую, чем наша кожа, температуру, покажется прохладным или холодным.

Владислав Ксионжек

Смысл жизни с точки зрения физики

На пути к закону сохранения отражения

Способность отражать в себе мир - универсальное свойство материальных объектов. Но взять, к примеру, круглый камень и внешне похожее на него яйцо. Если изучая гладыш мы сможем представить лишь море, которое его омывало, да еще, в лучшем случае, по химическому составу узнать кое-что об особенностях земного вулканизма, то в генофонде яйца - точные данные о современном состоянии планеты - составе атмосферы, силе тяжести, длине суток и т.п. Ведь организм приспосабливается, а значит несет отпечаток той среды, в которой обитает. А человек? Он, кроме заложенной в его генах наследственной информации, обладает и другим уровнем отражения окружающего мира - сознанием. Чем более организована материя, тем выше у нее способность к отражению. Случайно ли это? Оставим пока вопрос без ответа и обратим внимание на другое свойство живых организмов... Самюэл Батлер, английский поэт-сатирик ХVII века, однажды шутливо заметил: "курица - это способ, которым яйцо воспроизводит другое яйцо". Через триста лет, переосмыслив его утверждение, генетики провозгласили закон сохранения генов. Ведь курица (воспользуемся примером Батлера) сохра- няет свои гены в яйцах, которые со временем превращаются в куриц, откладывающих новые яйца, содержащие некоторые гены прародительницы. Если род курицы не пресечется, а потомство будет плодиться и множиться, гены яйца, с которого мы начали отсчет, сохранятся, будут разбросаны по разным пра-пра-пра-внукам и пра-пра-пра-внучкам. Законом сохранения генов пытаются объяснить родительские, да и вообще родственные чувства. Мол, мы любим человека тем больше, чем выше у нас с ним доля общих генов. Один биолог после несложных подсчетов заявил: "Я готов пожертвовать собой ради четырех внуков или восьмерых кузенов!" Но все равно, хоть и немало существует людей, готовых отдать жизнь ради спасения близких родственников (и в первую очередь, конечно, собственных детей), не следует сводить все к вышеупомянутому закону. Просто потому, что для больших отрезков времени он не выполняется. Частицы наследственного материала мутируют, превращаются в другие гены. А может быть следует обращать внимание не на сами по себе гены, а на их свойство концентрированно отражать в себе окружающий мир? Тогда почему бы не предположить, что с ростом уровня организации материи (от камня к курице, от курицы к человеку) увеличивается и способность к сохранению накопленного отражения? Похоже, что это действительно так. Стоит камню попасть в воду, и волны "слижут" с него за год-другой прежнюю форму. Гены курицы будут жить в потомстве века. Человек же, ознакомившись с древними летописями, узнает подробности о событиях тысячелетней давности. Если высказанное предположение верно, тогда закон сохранения генов - частный случай выдвигаемого нами закона сохранения отражения, согласно которому эволюция движется по пути создания форм организации материи, способных все больше вбирать в себя информации об окружающем мире, а также сохранять эту информацию все дольше. И получается, согласно этому закону зародились на нашей планете жизнь, а потом и разум.

Что же человечеству нужно?

Трудно, пожалуй, найти понятие многовариантнее, чем смысл жизни. Для одних он заключается в том, чтобы просто жить получше и подольше. Другие на первое место ставят заботу о детях. Третьих снедает "желанье славы и добра". Четвертые всецело поглощены любимым делом. Пятые... Но остановимся. Все многообразие человеческих желаний и устремлений можно свести к одному - попыткам сохранить на возможно больший срок накопленное отражение. Поскольку, если можно так сказать, у человека два уровня отражения на себя окружающего мира (биологический, свойственный любому живому существу, и свойственный на Земле только нам - сознание), то и реализуются жизненные цели у людей, имеющих различные приоритеты, трудносовместимыми путями. Кто-то смотрит на звезды, а кто-то не видит ничего дальше своего живота. Но и те, кто одухотворены жаждой познания, не могут отразить на себя Мир так глубоко, как хотели бы, а главное - сохранить целиком накопленное отражение (даже великие произведения искусства, надолго переживающие их создателей, несущие в себе частицу их души, не могут решить проблему бессмертия). Вызывает сомнение утверждение, что человек - высшая ступень на лестнице эволюции. Если нашим развитием движет закон сохранения отражения, то мы обязательно придем к новой форме организации материи. Смысл жизни человечества - воплотиться в нечто иное, чему пока нет подходящего названия. Может быть одно из проявлений этого "нечто" - ноосфера (сфера разума), возникновение которой предсказывал великий Вернадский. Говоря упрощенно, она должна появиться тогда, когда "плотность разума" на планете достигнет критического значения, и отдельные "искорки" сольются в большой костер. Человечество станет чем-то вроде единого мыслительного организма, и все, что прочувствовал, познал за свою жизнь каждый член сообщества, станет достоянием всех. И все-таки ноосфера это не искомое нами "нечто". Даже окутанная сферой разума планета может погибнуть, например, в результате космической катастрофы. Закон сохранения отражения требует, чтобы его носители обрели не только духовное, но и физическое бессмертие, чтобы отражение внешнего мира, полученное им однажды, никогда не стиралось, лишь дополнялось новыми отпечатками.

На пути к сверхцивилизации

Надо полагать, когда-нибудь человечество сбросит с себя хрупкую белковую оболочку, заменит ее чем-то иным, более добротным. "Смена рубашек" может происходить не раз, и не два, и в конце концов наши отдаленные потомки станут чем-то вроде "бесплотного духа", пронизывающего Вселенную. Бесплотного - не значит нематериального. Его основой может быть форма материи, слабо взаимодействующая с веществом, электромагнитными полями (в силу чего ее структура трудноуничтожима), а поскольку оно заполняет все пространство, то и не испытывает внешних воздействий, часто губительных для живого просто потому, что они неожиданны, непредсказуемы. "Бесплотному духу" уже не нужно преобразовывать природу, подстраивать ее под себя: строить дома-коконы, орошать поля, усмирять реки, убивать животных. Нет необходимости заботиться о собственном теле, создавать ему комфортные условия существования. Сверхцивилизация идеально приспособлена к Миру. Вот и разгадка парадокса, который ставит в тупик специалистов СЕТI. Ведь по некоторым оценкам только в нашей галактике - 600-700 млн. планет, пригодных для обитания человека, из них порядка 100 тыс. должно быть заселено разумными существами. А ведь самые старые звезды образовались 15 млрд. лет назад, на 10 млрд. лет раньше Солнца. Примерно на такой же срок должны были обогнать земную первые цивилизации Вселенной. Следуя логике экстенсивного развития (принято считать, что энерговооруженность цивилизации растет по экспоненте), наши старшие братья по разуму должны были успеть сначала полностью освоить энергетические ресурсы родной звезды, (построить вокруг нее непрозрачную оболочку), потом перебраться к соседним звездам, и, наконец, прибрать к рукам все топливные запасы Вселенной. Но этого не произошло. Астрономы наблюдают Мир девственно чистым, не "испорченным" вмешательством разума. Складывается впечатление, что цивилизаций, активно преобразующих космос, нет. Видимо это им и не нужно. Как только разумное сообщество становится свехцивилизацией, оно перестает вести себя во Вселенной как слон в посудной лавке.

Сверхцивилизация существует, или что

вытекает из принципа Маха

Эрнст Мах, австрийский физик и философ, усмотрел в законах Ньютона существенный изъян. Они описывают движение тела только в локальной (привязанной к определенной точке) системе отсчета. Чтобы определить, например, скорость вращения Земли, нужно раскачать маятник Фуко, который находится в локальной системе отсчета Земли, и замерить как перемещается плоскость его колебаний. Вычислять же угловую скорость нашей планеты, наблюдая за вращением ночного неба, как понял Мах, мы не имеем права. У звезд свои локальные системы отсчета, ни по какому закону механики между собой не связанные. Но практика показывает, что измерить скорость вращения Земли можно и тем, и другим способом. И что удивительно (с точки зрения Маха), оба дают одинаковый результат! Мах сделал вывод, что в природе должна быть некая связь между локальной системой отсчета и удаленными телами, и что эта связь придает материи инерциальные свойства. Другими словами, все тела чувствуют друг друга, и если какое-либо из них вдруг исчезнет (к счастью, этого не допускает закон сохранения материи), инерциальное движение всех остальных нарушится. Принцип Маха произвел глубокое впечатление на Эйнштейна. Некоторые считают, именно он вдохновил "короля физики ХХ столетия" на создание общей теории относительности (ОТО). Но, к великому разочарованию автора, принцип Маха не вытекал ни из одного постулата ОТО. Инертную массу, так и не объяснив ее природу, пришлось просто приравнять к массе гравитационной. Физические теории существуют сами по себе, принцип Маха - сам по себе. Может быть это потому, что он не был заложен в природу изначально, а возник позднее, на каком-то этапе развития Вселенной? Из принципа Маха следует: любое материальное тело отражено на всю Вселенную, и наоборот, в любом теле, сколь угодно малом, отражен весь окружающий мир. Но ведь это ни что иное, как ранее сформулированный нами закон сохранения отражения, причем уже реализованный в развитии, так сказать возведенный в абсолют. Значит свехцивилизация уже существует. Все вокруг нас пронизано "нитями" высокого разума. Принцип Маха - единственный результат его инженерной деятельности.

Попробуем теперь представить отдаленное будущее сверхцивилизации. Тут не обойтись без краткого экскурса в космогонию. Ныне общепризнанной считается теория расширяющейся Вселенной. Около 29 млрд. лет назад вся материя была сосредоточена в одной точке, так называемой сингулярности, плотность материи в которой бесконечна. Потом началось расширение - физики называют его Большим взрывом. До сих пор "осколки" сингулярности, ставшие со временем галактиками, туманностями, шаровыми скоплениями, разлетаются в разные стороны. Как будет Вселенная развиваться дальше? Возможны два пути. В том случае, если ее нынешняя плотность больше некой -29 3 критической величины 10 г/см), расширение со временем сменится сжатием, и примерно через 30 млрд. лет (еще 5 млрд. лет будет идти расширение, потом 25 млрд. лет - сжатие) Мир снова схлопнется в точку - новую сингулярность. Иначе же - если плотность Вселенной недостаточно высока - расширение будет продолжаться вечно. Какова плотность Вселенной, пока неизвестно. Но и в том и в другом случае судьба живых существ незавидна: В бесконечно расширяющейся Вселенной со временем выгорят и погаснут звезды. Их мертвые, связанные между собой гравитационными силами скопления сколлапсируют, образуют гигантские черные дыры. Тепловая энергия частично ими поглотится, частично рассеется. Температура уцелевших планет упадет до абсолютного нуля. Вместе с теплом уйдет из Вселенной и жизнь. Закрытый мир (который в конце концов сожмется в сингулярность) не будет страдать от недостатка света и тепла. Но когда вступит в завершающую фазу Большое сжатие, начнут сталкиваться звезды, крошиться атомы - погибнет все, что когда-либо приобрело индивидуальность. Останется клокочущий клубок раскаленных частиц. Да и они обречены. В -43 определенный момент времени (10 с до конца Большого сжатия - так называемый Планковский предел) исчезнут все элементарные частицы, обладающие массой покоя. Как известно, принцип запрета Паули не допускает нахождение в одной точке пространства двух или более частиц. Но, как говорится, при прочих равных, закрытый мир больше нравится ученым. В нем не возникает сакраментальный вопрос: а что было до того, как появилась Вселенная? Большому взрыву предшествовала Большое сжатие, ему - другой Большой взрыв, и так без конца. Вселенная существовала всегда, вернее была бесконечная череда Вселенных, разделенных по временной шкале особыми точками - сингулярностями, где большинство физических теорий перестают работать и в которых может происходить все что угодно. Высказано предположение (П.Фомин, "Гравитационая неустойчивость вакуума и космологическая проблема", препринт ИТФ - 74 - 90р, Киев 1974), что начальное состояние каждой из Вселенных - вакуумное, при котором в явном виде нет никаких частиц кроме гравитонов - квантов гравитационного поля. На них не распространяется Планковский предел. Они существуют и в сингулярности. Но ведь гравитационную массу отождествляют с инерционной! Вот и протянулась ниточка от гравитационного поля к закону сохранения отражения, к инерционному принципу Маха. Может быть именно из гравитонов соткан "бесплотный дух" - сверхцивилизация? В таком случае ее структура, отражение Мира накопленное за все время существования Вселенной, не исчезает даже тогда, когда Большое сжатие приводит к сингулярности. А ведь в ней уничтожается практически все, даже привычные нам физические законы там не действуют... Хотелось бы верить - носители высшего разума бессмертны!

Когда закон мешает, его меняют

Итак, вечный дух в бесконечно обновляющейся Вселенной? Однако английский физик-теоретик Ричард Толмен показал, что с учетом второго начал термодинамики циклы расширение-сжатие в модели пульсирующей Вселенной будут раз от раза увеличиваться, соответственно, станет расти и максимальный радиус Вселенной. Она как бы раскачивается, и в конце концов превращается в открытую, а значит наша (в научном смысле) спекуляция насчет вечного мирового разума не оправдывается. Напомним читателю формулировку второго начала термодинамики. Оно гласит: все процессы идут с возрастанием или, в лучшем случае, с постоянной энтропией. Энтропия (S) - мера беспорядка в какой-либо системе. Она нормируется от 0 до 1. В общем виде для энтропии Вселенной можно написать соотношение пропорциональности: S t, где t - время с начала самого первого цикла расширение-сжатие. Очевидно - при очень больших t энтропия стремится к единице. Но о каком же всемирном хаосе можно говорить, если существует закон сохранения отражения, подразумевающий прямо противоположные процессы - идущие с уменьшением энтропии? Многие ученые указывают на несовершенство, ограниченность применения второго начала термодинамики. Да и кто, собственно, доказал, что энтропия Вселенной должна стремиться к максимальному значению - единице? Любопытно отметить, что во многих отлаженных, прошедших долгий путь эволюции системах (будь то система для общения - язык или система экономических связей) наблюдается соотношение беспорядка и порядка, случайного и закономерного примерно 1/3. Если, допустим, в структурных звеньях экономической системы много беспорядка, царит неразбериха, низка трудовая дисциплина работающих, конечный продукт никому не нужен и был запланирован по ошибке или недомыслию - хорошего результата ждать не приходится. Это экономический хаос. Но и другая крайность - "железный порядок" себя не оправдывает. В такой системе ход процессов заранее предопределен, регламентирован строго по пунктам. Хода нет ни в лево, ни в право. Стоит произойти небольшой, как говорят физики, флуктуации, и систему начинает трясти. От запретов никуда не деться. В результате в скором времени порядок обращается в свою противоположность - хаос. (Что мы видим на примере нашей отечественной экономики). В том же случае, когда выполняется соотношение примерно один к трем (разумная творческая инициатива - трудовая дисциплина), производственный коллектив, как считают некоторые экономисты, добивается наилучших результатов. Скорее всего, S=1/3 и в живых системах (это пока можно только предполагать). Именно живая материя лучше всего отражает на себя окружающую среду (а значит и приспосабливается к ней). Наберемся смелости и добавим в формулу, описывающую энтропию Вселенной, дополнительный член с отрицательным t знаком: -В е, где В - неизвестный нам коэффициент пропорциональности. (О том, что законы развития, как правило, выражаются через экспоненту, мы уже говорили). Пронормировав коэффициент из условия, что к концу цикла рсширение-сжатие энтропия Вселенной принимает оптимальное значение - 1/З, получим вместо второго начала термодинамики выражение вида: t-T S = 1/3 (1 + 2t/T - 2e) где Т - продолжительность цикла расширение-сжатие, t - текущий параметр времени. Это аналитическая запись закона сохранения отражения. Заметим, что при t значительно меньших, чем Т, выражение практически не отличается от привычной нам формулы второго начала. Но к концу цикла экспоненциальный член стремительно нарастает, быстро становится преобладающим. Из формулы следует, что сверхцивилизация появляется лишь к завершению цикла расширение-сжатие, перед самым "занавесом". Складывается впечатление, что... время жизни Вселенной выбирается как раз таким, чтобы сверхцивилизация успела возникнуть и полностью познать Мир, который, согласно некоторым современным теориям и вопреки знаменитому ленинскому утверждению, бесконечен лишь по масштабной структуре, но исчерпаем, зациклен сам на себя.

Первичны и материя, и сознание

Ну уж, - наверно скажет искушенный читатель, - это слишком! Автор замахивается на святая святых - физические законы и намекает, что кто-то может их по своему усмотрению изменять. Однако мы уже говорили, что при переходе через Планковский предел - в области сингулярности современные физические теории в большинстве своем перестают работать. Сингулярность - волшебная страна, где может происходить все, что угодно. Некоторые ученые полагают, что там уничтожаются все физические константы, которые задавали облик погибшего Мира (М.Рис, Р.Руффини, Дж.Уилер "Черные дыры, гравитационные волны и космология" М.1977). Новые же константы, для очередного цикла расширение-сжатие, якобы задаются случайным образом... Да только случайным ли, - это еще вопрос. Английский физик-теоретик Б.Картер построил две модели Миров в каждом из которых так называемая постоянная тонкой структуры (безразмерное отношение фундаментальных физических 2 констант hc/е = 137,0338, где h - постоянная Планка, с - скорость света, е - заряд электрона) отличалась от аналогичной постоянной нашего Мира всего на 1%. Что же у него получилось? В одном случае все звезды во Вселенной стали красными, в другом - голубыми. Но голубые гиганты живут не более 1 млн. лет, затем превращаются в сверхновые, а для возникновения жизни, по расчетам Р.Дикке, требуется порядка 1 млрд. лет. В том же случае, если Мир населен красными карликами, времени для эволюции живой материи будет в избытке. Возраст карлика может достигать 20 млрд. лет (это в два раза больше времени жизни такой звезды, как Солнце). Он не взрывается, не образует сверхновую - медленно угасает по мере того, как выгорает термоядерное горючее. Превращается в конце концов в мертвый железный шар. Но и возле таких спокойных звезд не может появиться жизнь. Дело в том, что в первичной, еще только образовавшейся после Большого взрыва структуре Вселенной, практически нет никаких химических элементов кроме водорода с малой примесью гелия. Почти все атомы, составляющие наши бренные тела, были некогда синтезированы в недрах звезд. Потом они взорвались и выплеснули термоядерные шлаки в открытый космос. Нет сверхновых - не будет и планет, состоящих из химических элементов с порядковым номером выше второго. Без них же, как считают ученые, не может быть жизни. Тут самое время вспомнить о знаменитом антропном (от "антропос" - человек) принципе, гласящем: все, что мы наблюдаем вокруг, должно удовлетворять условиям, необходимым для нашего появления. Одни видят в антропном принципе промысел божий, другие считают, что нам просто повезло с набором физических констант во Вселенной. Ну хорошо, "повезти" могло какому-то определенному типу живых существ, нуждающемуся для развития в определенных, весьма жестких условиях. Скажем, не появилась на планете жизнь углеродная, так возникнет может быть жизнь кремниевая, железная, урановая. Но то обстоятельство, что жизнь как явление возможно лишь в узком интервале физических констант, и что по "счастливой случайности" реализовались именно те их значения, которые больше всего подходят живым существам (способствуют скорейшему отражению Вселенной самой на себя), наводит на размышления. Роль "бога-творца" хорошо может сыграть сверхцивилизация, способная сохранить себя даже в сингулярности. Так не эта ли сверхцивилизация, пользуясь временным отсутствием законов (раз ничего не запрещено, значит все можно) выбирает и задает по своему усмотрению величины физических констант для нового цикла Вселенной? Если подбирать константы должным образом, то после каждого нового Большого взрыва Вселенная будет становиться все лучше приспособленной к различным формам жизни, а значит ее самопознание будет углубляться от цикла к циклу. Отсюда, ни много ни мало, следует, что новое решение получает основной вопрос философии! К известной формуле "бытие определяет сознание" добавится "сознание определяет бытие". Обсуждать, что первично, что вторично - уже не имеет смысла. П е р в и ч н ы и м а т е р и я, и с о з н а н и е. На мой взгляд, это предположение вполне в духе диалектики.

Вместо послесловия. Сверхцивилизация и мы

Теперь поразмыслим немного о роли случайного в нашей жизни. Кому порой не казалось, что нежданные, на первый взгляд никак не связанные между собой события влияют на нас сходным, вполне определенным образом. Словно пытаются повернуть наш жизненный путь во вполне определенное русло. Как будто кто-то хочет нас подтолкнуть, помочь реализовать заложенные, но не всегда нам самим известные возможности. Разумеется, предопределенности в Мире нет. Каждый волен (вот в чем свобода!) упустить свой шанс. И тогда станет, скорее всего, неудачником от которого фортуна отвернулась надолго. Говорят: от судьбы не уйдешь. А уйдешь - пожалеешь... Под судьбой вполне может скрываться сверхцивилизация. Но каким образом она может вмешиваться в земные дела, не проявляя себя в то же время никаким механическим, физическим, химическим воздействием? Только с помощью хорошо организованных "случайных событий". Если много раз подбрасывать монетку, орел и решка выпадут примерно поровну. Это хорошо объясняет теория вероятностей. Однако ни одна теория не сможет предсказать, каким результатом закончится один единственный бросок. Все решает случай. Он может быть счастливым, может роковым. Наверно нам искренне хотят помочь познать Мир (цель-то жизни у всех разумных существ одна), а мы упорно не замечаем подсказок, упрямо пытаемся расшибить себе лоб и сетуем, что никто во Вселенной не желает протянуть нам руку помощи, что мы - одиноки. Но стоит лишь захотеть увидеть... Помощь, правда, нам предлагают весьма своеобычную. Пресыщенному, равнодушному, ленивому человеку она вряд ли придется по душе. Порой случается с нами такое... Впрочем, это уже тема для другой статьи.