Физические теории в школьном курсе физике. Физическая теория - это система знаний, объясняющая физические явления и их взаимосвязь

АРКАДИИ БЕНЕДИКТОВИЧ МИГДАЛ - советский физик-теоретик, академик АН СССР. Родился в 1911 г., окончил Ленинградский университет в 1936 г. В 1943 - 1945 гг. работал в Институте физических проблем АН СССР, в 1945-1971 гг. - в Институте атомной энергии, с 1971 г.- в Институте теоретической физики АН СССР.
В области ядерной физики А. Б. Мигдал положил начало новым научным направлениям, внес огромный вклад в развитие квантовой теории, теории ядра, физики элементарных частиц и других разделов физики. Профессор Московского инженерно-физического института А. Б. Мигдал создал большую научную школу, из которой вышли академики, члены-корреспонденты, доктора и кандидаты наук.
А. Б. Мигдал награжден орденом Ленина, тремя орденами Трудового Красного Знамени и орденом Октябрьской революции.

Вступление 3
Наблюдение - теория - эксперимент 6
Краеугольные камни 45
Как создавалась квантовая теория 69
Теория относительности 85
Квантовая теория поля 102
Еще несколько слов 126

Вступление
Вот перед глыбой камня стоит человек и смотрит на нее с удивлением и любопытством. Вдруг он видит каким-то внутренним взором - интуицией,- что в глубине камня скрыта необычайная форма, величественная фигура, нужно только освободить ее, выпустить на волю. И человек берет в руки молоток и резец; он рубит камень, обтачивает, полирует его - он овладевает мастерством. Но и секретов ремесла человеку мало: он даст камню название «мрамор» - «сияющий камень»,- он должен постичь его природу, узнать каждый кристалл, чтобы подчинить глыбу своей воле. Чтобы из белого мрамора возникло чудесное создание, красивое и мудрое, чтобы люди замирали в восторге, глядя на него, мастерство и вдохновение должны слиться в творчество.
Вот стоит человек перед огромным миром. Он слышит плеск волн, шум ветра, видит сияющее Солнце, далекие звезды, чувствует движение Земли, и интуиция подсказывает ему, что все должно быть связано в природе, что красота окружающего имеет высокий и таинственный смысл... Разгадать загадки Вселенной, познать непознанное призвано научное творчество.
За это природа дарит ему великое благо - знание, и оно служит человеку, облегчая его труд на Земле, открывая путь в космос.
Развитие науки имеет свои законы. Из наблюдения окружающего рождается предположение о природе и связях процессов и явлений; из фактов и правдоподобных предположений строится теория; теория проверяется экспериментом и, подтвердившись, продолжает развиваться, снова проверяется бесчисленное множество раз... Такой ход развития и составляет научный метод; он позволяет отличить заблуждение от научной истины, проверить предположение, избежать ошибок.
Мы оставим в стороне экспериментальную физику, которая требует отдельного разговора, только иногда будем напоминать: эксперимент - верховный судья истины. Вы узнаете о том, как создаются, проверяются и развиваются физические теории, о том, что остается за пределами ваших школьных учебников, что не успевают рассказать вам ваши учителя.
У физики своя форма приложения общего научного метода, свои принципы познания. Они позволяют увидеть стройный мир симметрий, начинающийся с простейшей геометрической правильности и простирающийся до свойств элементарных частиц. Принципы симметрии лежат в основе самых сложных, самых современных физических теорий, более того - в основе законов природы. Главное направление современной физики - поиски симметрии и единства законов природы.
Мы с вами постараемся понять суть тех удивительных событий, которые произошли в физике XX в., когда была создана квантовая теория, позволившая открыть законы, управляющие микрообъектами; теория относительности, давшая новое представление о пространстве и времени... Когда эти теории объединились, они привели к открытию целого мира элементарных частиц, к разгадке тайн далеких звезд, к познанию истории Вселенной.
Хотелось бы, чтобы книга помогла вам узнать физику настолько, чтобы решить, хотите ли вы посвятить ей свою жизнь.
Итак, пусть любопытство заставит вас сделать усилие, необходимое для понимания, и «вперед, без страха и сомненья»!
Наблюдение - теория - эксперимент...
Великий немецкий поэт, философ, естествоиспытатель Иоганн Вольфганг Гёте сказал: «Всякое созерцание переходит в наблюдение, всякое наблюдение - в соображение, всякое соображение в установление важной связи, и можно сказать, что всякий раз, когда мы внимательно вглядываемся в мир, мы создаем теорию». Но теоретические построения оставались бы просто забавой мудрецов, если бы не существовало надежного испытания - эксперимента. Только подтвердившись экспериментом, теория обретает истинную жизнь, дарит людям новое открытие, предсказывает открытия будущие...
Наблюдение - теория - эксперимент - и снова все сначала - такова бесконечная, уходящая ввысь спираль, по которой движутся люди в поисках истины. Так решает свои задачи физика.
Профессия начинается с понимания круга проблем своей науки, с овладения навыками, секретами ремесла.
Путь познания. Старые легенды рассказывают, как люди и даже боги не могут сойтись в мнениях об увиденном. В смешной английской песенке про трех смелых звероловов поется: «Смотрите, это месяц,- зевнув, сказал один. Другой сказал: - Тарелка!- А третий крикнул: - Блин!»
Песенки и сказки рассказывают не просто о курьезном недоразумении - вопрос о том, как может и может ли вообще человек, полагаясь лишь на свои ощущения, составить представление об окружающем, был одним из главных вопросов философии с древнейших времен. Доведенные до отчаяния мудрецы, наконец, стали отказываться от попыток узнать
что-либо, заявляя, что ничего нельзя утверждать, даже того, что снег белый, а я говорю, что он черный, и никто не сможет это опровергнуть; ничего нельзя понять, «нет ничего истинного, что не могло бы оказаться ложным». Унылая философия скептиков оказалась настолько живучей, что даже в XVII в. ее пришлось осмеивать великому французскому драматургу Мольеру. В его комедии «Брак поневоле» философ Марфуриус говорит: «Наша философия учит не высказывать ни о чем решительных суждений, обо всем говорить неуверенно, все оставлять под сомнением, под вопросом - вот почему вы должны сказать не «я пришел», а «мне кажется, будто я пришел». Здравомыслящий Сганарель удивлен: «Выходит, что меня здесь нет и вы со мной не говорите?» «Мне представляется, что вы здесь,- отвечает Марфуриус,- и мне кажется, что я с вами говорю, но это не непреложно».
Но, как ни смейся над скептиками, проблема познаваемости мира и достоверности знания грозно стояла на пути зарождающихся опытных наук. Она была очень остра и актуальна на заре Нового времени, когда жили и работали Коперник, Галилей, Кеплер.
Лишь в начале XVII в. зародился научный метод познания реальности, и на нем как на прочном фундаменте основываются с тех пор опытные науки.

Из чего же складывается этот метод?
Достоверное и невозможное. Научный подход начинается с проведения границ достоверного и невозможного. Сделать это позволяет стабильность достижений науки. Что это значит?
Хорошо проверенные законы и соотношения остаются неизменными и после нового значительного открытия или научной революции. Радиоастрономия совершила переворот в астрофизике, позволив обнару-
жить радиогалактики, пульсары, реликтовое излучение, но фундаментальные закономерности физики не изменились. Даже теория относительности Эйнштейна, перевернувшая привычные представления о пространстве и времени, практически не изменила хорошо известных законов механики и электродинамики тел, движущихся с обычными скоростями.
Новая теория тяготения, созданная Энштейном, предсказала, что гравитационное поле вблизи тяжелых тел изменяет геометрические свойства пространства,- к этому поразительному предсказанию мы не раз еще вернемся. Согласно теории тяготения, около Солнца геометрия отклоняется от обычной, евклидовой, которую мы учим в школе; сумма углов треугольника хоть и мало, но отличается от 180°, отношение длины окружности к радиусу - от 2л, линия кратчайшего расстояния между двумя точками отличается от прямой, проходящей через них,- и это было хорошо проверено на опыте,- лучи далеких звезд, проходя мимо Солнца, искривляются.
Значит, более двух тысяч лет люди распахивали землю, строили, чертили карты, пользуясь неправильной геометрией? И нужно сейчас же исправить школьные учебники?
В науке существует «принцип соответствия», согласно которому новая теория должна переходить в старую в тех условиях, для которых эта старая была установлена. Измерения, наблюдения, опыты с глубокой древности до наших дней показывают, что геометрические теоремы, примененные к реальным физическим объектам, выполняются с огромной точностью. Великий немецкий ученый, заслуживший прозвище «короля математики», Карл Гаусс проверил, не отклоняется ли геометрия нашего мира для больших размеров от евклидовой, определяя свойства треугольника, образованного вершинами трех гор.
В пределах точности его опытов евклидова геометрия подтвердилась. Но можно указать такой масштаб расстояний, на котором не останется ничего похожего на обычную геометрию,- он будет колоссально велик, масштаба радиуса Вселенной. Сильно изменяется геометрия и вблизи сверхплотных звезд. Но для физических тел, окружающих нас, она сохраняется очень точно.
Итак, научная революция, даже коренная, не отменяет ранее установленных законов и соотношений, а лишь уточняет их, помогает определить область их применимости.
Зная, что хорошо проверенные законы неизменны, можно отличить явления, не вызывающие сомнения, от того, что противоречит многолетнему научному опыту. Посередине окажется область неизученного, но возможного - здесь и сосредоточены интересы науки.
В области достоверного окажется все, что не может быть опровергнуто при любом повороте в развитии науки. Что может пошатнуть представление о том, что Земля круглая? Что заставит поверить в существование вечного двигателя, т. е. в грубое нарушение закона сохранения энергии? Анализ достоверных фактов заставляет физиков скептически относиться к телекинезу - способности передвигать предметы по желанию человека, силой духа. За несколько столетий сколько несчастных, одержимых мечтой о неожиданном богатстве, стояло у игорных столов, не сводя глаз с маленького шарика рулетки. Но хотя игроки ставят на кон свою собственную жизнь, тщательный анализ выигрышей показал, что они всегда подчиняются теории вероятности.
Ни в одном добросовестном физическом эксперименте желание экспериментатора не влияло на результат измерений, хотя физикам приходится иметь дело с необычайно легкими и легко перемещаемыми объектами.
Наука оберегает свои завоевания, она лишь переосмысливает старое, не отвергая, а вбирая его в себя, как вписываются старые дворцы и храмы в новый прекрасный город.
Догадка и истина. Следующий шаг - безжалостно отделить самую красивую, самую романтическую и даже правдоподобную догадку от доказанного утверждения. Это необходимо опытным наукам так же, как криминалистике; науке-чтобы не потонуть в море суеверий, криминалистике - чтобы не стать опорой беззакония.
Для возникновения жизни на планете необходимо совпадение множества сложнейших условий, и каждое условие делает это событие все менее вероятным, так что жизнь во Вселенной - крайне редкое явление. Если бы условия совпали, если бы жизнь на других планетах все-таки зародилась, если бы ее
развитие привело к высокоразвитой цивилизации, если бы странная прихоть или случайность забросила пришельцев в дальний уголок, в нашу Солнечную систему, они могли бы посетить Землю, если бы их организм был приспособлен к земной природе, если бы... Но утверждать, что они действительно здесь побывали, нет никаких оснований, все «следы инопланетян», обнаруженные любителями романтики, вернее - псевдоромантики, имеют простое и естественное объяснение. Любители с необычайной легкостью находят их повсюду, не задаваясь сложными вопросами, не снисходя до объяснений и доказательств.
Еще в Древнем Риме юристы при решении дел исходили из презумпции невиновности: обвиняемый считался невиновным до тех пор, пока его вина не доказана. Когда речь идет о странных и необычных явлениях, ученые не обязаны доказывать, что их
нет, но романтики обязаны доказать, что такие явления существуют.
Правило «во всем сомневаться», доведенное когда-то скептиками до абсурда, ученые взяли на вооружение, пользуясь им в разумных пределах.
Конечно, не следует, отнеся что-либо к разряду необычного, навсегда отступиться от него - серьезный экспериментатор, беспристрастно и всесторонне изучая явления, может обнаружить много интересного. Не нужно только задаваться целью доказать или опровергнуть явление - это ведет к предвзятости,- а лишь тщательно изучить его.
Научный метод и профессионализм. Предельный профессионализм - одно из главных требований к человеку, посвятившему себя науке. Можно назвать его здравым смыслом научной работы. Наука * не может двигаться без внезапных скачков мысли, озарений, интуиции, но неожиданные идеи, выдерживающие проверку, возникают только на основе профессионализма. Да и научная интуиция рождается в результате серьезной работы, как в хирургии, где сложные вещи удаются только на самом высоком профессиональном уровне.
«Как же так, - скажете вы. - Ведь всем известно, что Ампер и Фарадей не получили специального образования, Вольта учился в школе иезуитского ордена, Джоуль был пивоваром, врачами были Коперник, Гельмгольц и Майер, юристами - Авогадро, Лавуазье и Ферма. Писателей, получивших профессиональную подготовку, можно пересчитать по пальцам, а Толстой был артиллеристом, Достоевский - топографом, Чехов - врачом...»
Это сильно осложняет вопрос о дилетантах и профессионалах. Но если немного подумать, становится очевидным, что все перечисленные «дилетанты» достигали успеха, только став образованнейшими в новой области специалистами. Юрист Эдвин Хаббл
сделал крупнейшие открытия в астрономии только после того, как проработал много лет простым наблюдателем в обсерватории, полностью овладел новой специальностью...
Недоверие ученых к любителям часто принимают за некрасивое стремление к элитарности, замкнутости научных кругов, пропуском в которые будто бы может служить только свидетельство о специальном образовании. Нет, справку иметь не обязательно, но обязательно в совершенстве владеть методом, знать тайны мастерства.
Один из главных пороков дилетантов в любой области человеческой деятельности - верхоглядство. Обратимся к далекой от нашего рассказа науке - археологии.
Говорят, что еще маленьким мальчиком, слушая легенды, которые рассказывал отец, Генрих Шлиман сказал: «Когда я вырасту, я найду Трою. .» Он вырос, изучил множество языков, стал торговцем, королевским купцом, основал банк и тогда все бросил, поехал искать Трою, легендарный город, описанный Гомером в «Илиаде». Он открыл новый мир, уникальные памятники, сделал историю богаче на тысячу лет. Но Шлиман не был профессионалом! Он торопился, уничтожил верхние слои, древние сооружения, стены; его датировки оказались неверными, он принял за слой, соответствующий гомеровской Трое, более древний... Заслуга Шлимана перед историей так велика, что ученые прощают ему ошибки, но с оговорками. Автор интересной книги по археологии Карел Корам пишет о Шлимане: «... в первый год он вел себя на холме Гиссарлык как мальчик, который, стремясь узнать, как устроена игрушка, разбивает ее молотком...»
Пример настоящего научного подхода показал другой человек, сделавший самую выдающуюся находку в Египте, открывший гробницу фараона Тутанхамона. Его имя - Говард Картер, великий археолог, сумевший сочетать максимальную научную точность и добросовестность с энтузиазмом исследователя. Когда после шести лет поисков был найден вход в гробницу, Картер записал в своем дневнике: «За этим ходом могло скрываться буквально все, что угодно, и мне пришлось призвать на помощь все мое самообладание, чтобы не поддаться искушению сейчас же взломать дверь и продолжать поиски». Работа археолога требует осторожности - ведь неловкое движение, струйка воздуха может уничтожить то, что потом уже никогда не восстановишь. Картер движется очень медленно, шаг за шагом, открывая невиданные сокровища, свидетельства духовной культуры Древнего Египта, и археолог полностью сознает важность научной задачи, стоящей перед ним. Нужно было установить первоначальное расположение предметов, законсервировать,
обработать, упаковать найденное, сообщить о находках другим специалистам, создать исследовательскую лабораторию... Не вскрывая следующей комнаты, Картер прекратил работы и решил засыпать только что раскопанную гробницу. Он вернулся только через год. Благодаря мужеству и выдержке ученого, в совершенстве владеющего своей профессией, и научная ценность этих раскопок оказалась значительнее всех прежних.
Часто можно услышать, что специалист ограничен своими знаниями, не может увидеть неожиданного. Конечно, есть плохие специалисты, но те, кто стоит на переднем крае науки, не могут допустить предвзятости. Можно привести множество примеров отказа ученых от привычных представлений, но при непременном условии, чтобы новые взгляды не противоречили хорошо установленным фактам. Дилетантам, утверждающим «со стороны виднее», не надо считаться с фактами, потому что они их не знают.
Ступени познания. Во всех опытных науках - физике, химии, астрономии, биологии, психологии... для того чтобы установить истину, нужно поставить научный эксперимент, дающий повторяющиеся результаты и подтвержденный независимыми опытами других исследователей. Без требования повторяемости и воспроизводимости результатов эксперимента нет науки.
Астрономический эксперимент состоит в том, что определенным образом отбирается место, время и способ наблюдения. Даже математики делают правдоподобные предположения, т. е. эксперименты, которые превращаются в строгие доказательства. В биологии, психологии часто требуется не количественный, а качественный эксперимент, но и здесь он позволяет установить общность соотношений, из которой выводятся закономерности,- на этом основывается наука.
Научный эксперимент - верховный судья истины - устанавливает факты. Науку составляют факты, соотношения между ними и, главное, систематизация этих соотношений с помощью сознательно упрощенной модели явления. Такая систематизация фактов и называется теорией.
Эксперимент испытывает предсказания теории на прочность. Когда теория, наконец, не выдержит, строится новая, с учетом старых фактов и тех, что появились при проверке. Если убедительно построенная теория противоречит установленным фактам, возникает научный парадокс, происходит скачок в развитии науки.
Только после превращения собрания фактов в стройную систему представлений - в теорию - возможно предсказание новых явлений.
Итак, каков же путь научного познания?
Эксперимент, теория, правдоподобные предположения, гипотезы - новый эксперимент, уточнение, проверка границ применимости теории, возникновение парадоксов, новая теория, интуиция, озарение - скачок - новая теория, новые гипотезы - и снова эксперимент...
В основе научного метода лежит объективность, воспроизводимость, непредвзятость; он развивался, совершенствовался и был отобран как самый рациональный - уже более трех веков руководствуется им на своем пути наука.
Великий Эйнштейн говорил, что научный метод дает средства для достижения цели, но сам по себе не есть цель - сам по себе научный метод никуда нас не приводит; он и не появился бы без страстного стремления к истине.
Научное творчество. Что нужно альпинисту, идущему на штурм Эвереста? Хорошее снаряжение, владение техникой восхождения, нужно уметь переносить холод, ночевки на снегу, уметь дышать, смотреть и не слепнуть, тащить на спине огромный рюкзак. Но нужно еще и уметь соразмерить силы, выбрать направление, знать, что делать, если товарищ сорвался в трещину...
У ученого свои вершины, и, поднимаясь к ним, он должен не только владеть техникой исследования, но и воспитать себя для подвижнической работы.
Побуждения к творчеству. Почему человек берется решать научные задачи? Конечно, потому, что он хочет принести пользу людям. Но иногда еще ему нужно доказать кому-то, а то и всему свету, что именно он может это сделать,- назовем это стремлением к самоутверждению. Иногда он чувствует потребность и способность решить нерешенную задачу - назовем это желанием самовыражения. Это уже ближе духу науки, но самое благородное, отвечающее цели побуждение - любопытство, желание узнать, как устроена природа.
Английский поэт, автор всем вам известной книги про Маугли, Киплинг писал:
Есть у меня шестерка слуг, проворных, удалых.
И все, что вижу я вокруг,- все знаю я от них.
Они по знаку моему являются в нужде.
Зовут их: Как и Почему, Кто, Что, Когда и Где.
Цель научной работы - узнать, как, почему, когда, где, что происходит на самом деле, что произошло такого, чего не было известно раньше...
В статье «Пролог» Эйнштейн говорит, что одни посвящают себя науке, чтобы проявить свое дарование, другие - из-за приличного вознаграждения, «... но ясно, что если бы люди, посвятившие себя науке, относились только к этим двум категориям, то ее здание никогда бы не выросло до тех величественных размеров, которые оно имеет в настоящее время, точно так же, как не смог бы подняться лес, состоящий из одних лишь ползучих растений».
Ученый не должен стремиться сделать открытие. Разъясним это, может быть, неожиданное заявление. Конечно, можно мечтать об открытии, но эта мечта должна контролироваться безупречной добросовестностью и в процессе исследования спрятаться подальше. Если она пересилит - почти неизбежно начинается погоня за эффектными результатами, невольная подтасовка фактов - и человек погиб для науки!
Очень важно уметь посмотреть другими глазами на привычное и удивиться ему; например, ночью поднять глаза и задуматься: почему небо темное? Ведь если Вселенная бесконечна и звезды заполняют ее более или менее равномерно, небо должно сиять ярче тысячи солнц - число звезд с расстоянием растет быстрее, чем падает интенсивность света от каждой отдельной звезды... Этот парадокс разъяснился, когда ученые узнали, что Вселенная когда-то - двадцать миллиардов лет назад - состояла из сверхплотной материи, когда не существовало не только звезд, но и ни молекул, ни атомов, ни ядер... К нам приходит свет только тех звезд, которые находятся на расстоянии меньше двадцати миллиардов световых лет. Новое понимание Вселенной подобно скачку, который сделало человечество, обнаружив, что Земля круглая. Способность увидеть неожиданное в привычном, умение удивляться, любопытство исследователя - непременное качество человека, посвятившего себя науке.
Рифы и отмели. Говорят, что на ошибках учатся. Специалист, по словам замечательного датского физика Нильса Бора, - это тот, кто знает распространенные ошибки и умеет их избегать.
Начиная работу, ученый невольно ищет доводы «за», но он должен помнить, что главное - искать доводы «против», подтверждающие соображения возникают сами, помимо сознания. Ничтожная ошибка вначале может привести к катастрофе, и успокаиваю-
щие аргументы защищают эту роковую ошибку от пристального критического взгляда.
В лаборатории, которую возглавлял опытный экспериментатор, изучали, как распределяются по энергиям альфа-частицы, вылетающие из ядер, или, иными словами, энергетический спектр альфа-частиц. Этот спектр состоит из резких максимумов, а разница между энергиями максимумов показывает возможные значения энергии того «дочернего» ядра, которое возникло после альфа-распада. И когда экспериментаторы нашли равноотстоящие по энергии группы альфа-частиц, это означало, что интервалы между энергетическими уровнями дочернего ядра одинаковы! Этот результат был полной неожиданностью и противоречил существующим представлениям о структуре ядра. Теоретики не смогли объяснить его, и началась дальнейшая проверка.
Что же оказалось? В самом начале равноотстоящие значения энергии получились случайно, и экспериментаторов так взволновала возможность сделать открытие, что каждый раз, когда выходило по-другому, они проверяли напряжение в сети. Если напряжение отличалось от нормы, результат измерений отбрасывался. Беда была в том, что проверку делали только тогда, когда получался нежелательный результат. Небольшая предвзятость в обработке фактов из-за большой статистики привела к неправильному выводу. Добросовестный экспериментатор на этот раз потерял контроль над действиями своих менее опытных сотрудников.
Существует что-то вроде заколдованного круга: нельзя сделать научную работу без ясного понимания проблемы, но нельзя добиться ясного понимания, не сделав работу. . . Здесь опасны обе крайности: и стремление все понять, а потом работать - это сковывает инициативу; и желание схватить на лету, угадать результат, не понимая, - это ведет к верхоглядству.
В работе не должно быть спешки и суеты, как не должно быть и веры в собственную непогрешимость. Верить в свои силы необходимо, но убеждение в непогрешимости приводит к тому, что, раз выбрав неверное направление, человек будет упорно его держаться. Очень сложно, но нужно найти правильную меру уверенности и сомнения, колебаний и непреклонности, гибкости и несгибаемости...
Секреты ремесла. Существуют ли какие-нибудь чудесные секреты: как найти решение, как направить фантазию по нужному пути, как возникают скачки мысли, неожиданные сопоставления, озарения? В чем тайна творчества?
Есть удивительная область человеческой психики - подсознание. Здесь хранится накопленный опыт, опыт не только одного человека, но многих поколений, здесь рождается интуиция. Когда человек спасается от смертельной опасности, мгновенно
включается подсознание и ведет его коротким, лучшим путем. Это «нижний этаж» обычного человеческого сознания; на «верхнем этаже» рождаются слова, понятия, на «нижнем» - образы. И бывает, что образ подсказывает решение!
Однажды, когда я бился над тем, как найти формулу, которая давала бы вероятность вылета электрона из атома при ядерных столкновениях, то увидел во сне, что по арене цирка скачет наездница, резко останавливается - и цветы, которые она держит в руках, летят в публику. . . Я понял, что в системе координат, где ядро покоится после столкновения, проще описать состояние вылетающих электронов. Но не спешите укладываться спать, великий французский ученый Луи Пастер говорил, что случай помогает только подготовленному уму. Может быть, если бы этот сон увидела сама наездница, он подсказал бы ей совсем другое - как поставить новый номер; а лошадь радостно поняла бы, что если как следует остановиться на полном скаку, то со спины слетят не только цветы, но и наездница.
Чтобы хорошо работать днем, очень важно поработать накануне вечером, «дать задание» подсознанию, направить его на верный путь, определить круг понятий, в котором можно найти разгадку. Если бесчисленное множество раз повторить рассуждения и вычисления, проделывая их без бумаги, в уме, - скоро решение придет само собой.
Сделать серьезную работу можно упорными неотступными усилиями, решением вспомогательных задач, подходами с разных сторон.. . Нужно отбросить все посторонние мысли, довести себя до состояния высшего вдохновения, когда сознательная работа продолжается во сне, а подсознательная - наяву. . . Для этого нужно многое - взволновавшая до глубины души задача, владение техникой решения, безупречное здоровье, огромное мужество, чтобы поверить в свои результаты, способность не испугаться собственных выводов, если они расходятся с общепринятыми, и умение довести работу до конца.
Да, внезапное озарение приносит успех, но не забывайте о том, что озарение рождается упорным трудом.
Профессия физика. Что может быть важнее в жизни человека, чем выбор профессии? Пожалуй, это первый самостоятельный выбор - ведь мы не выбираем себе место рождения или школу, в которой будем учиться; пока мы не выросли, за нас это часто делают родители, воспитатели. Но если нам выбирают профессию, к которой мы не чувствуем любви, не имеем способностей, - беды не миновать. Как часто человек, занимающийся не своим делом, губит собственную жизнь, а иногда и приносит вред окружающим. Что если свою профессию не любит врач, учитель или летчик? Пусть те из вас, кто заинтересовался физикой; постараются лучше понять, что представляет собой эта наука и подходит ли она вам по вашим склонностям и способностям.
Теоретическая и экспериментальная физика. В прошлом веке, когда физика не была еще так специализирована, многие ученые занимались одновременно и теорией, и экспериментом.
Джеймс Клерк Максвелл теоретически получил замечательные уравнения, объединившие электричество, магнетизм и оптику; в то же время он был профессором экспериментальной физики в Кембридже, создателем знаменитой Кавендишской лаборатории, изобретателем приборов. Генрих Герц, экспериментально обнаружив электромагнитные волны, построил теорию распространения электромагнитных волн, развивая открытие Максвелла. Но все же можно сказать, что главная профессия Максвелла - теоретическая физика, а Герца - экспериментальная.
В наше время итальянский физик Энрико Ферми, создавший теорию радиоактивного распада, вместе с учеными своей группы экспериментально установил, что почти все элементы делаются радиоактивными при бомбардировке нейтронами. Но о Ферми мы говорим - «теоретик». Советский ученый академик Г. И. Будкер совмещал занятия теоретической физикой с разработкой замечательных инженерных идей. Он теоретически разработал ускоритель на встречных пучках заряженных частиц и руководил его созданием. В таком ускорителе вся энергия идет на рождение новых частиц, тогда как при столкновении энергичной частицы с неподвижной мишенью на рождение идет только малая доля.
Но сейчас эти две профессии совмещаются крайне редко. Каждая из них требует специальных знаний: эксперимент - знания методов измерения, теория - владения сложным математическим аппаратом. А главное, что теоретику и экспериментатору нужен разный тип мышления и разные формы интуиции - теория, имеющая дело с более отвлеченными понятиями, требует и более абстрактной интуиции.
Экспериментаторы изучают соотношения между физическими величинами, измеряя их с помощью приборов; теоретики выводят новые соотношения, пользуясь только бумагой и карандашом, используя все известные правила и законы, интуитивные догадки.
У истоков теоретической физики стоял Исаак Ньютон. Чтобы объяснить, почему планеты движутся по эллипсам с фокусом у Солнца и почему кубы радиусов орбит пропорциональны квадратам периодов обращения, он предположил, что между двумя массами действует сила, пропорциональная их произведению и обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Ньютон сформулировал основные законы классической механики. Он преодолел огромные по тому времени математические трудности и получил количественное объяснение движения планет, вычислил возмущения движения Луны под влиянием Солнца, построил теорию приливов... Теоретическая физика началась с того, что Ньютон превратил недоказанную идею всемирного тяготения в физическую теорию, подтвержденную опытом.
Великим физиком-теоретиком нашего века был Альберт Эйнштейн. Теорию относительности, открывшую совершенно новое понятие пространства-времени, он создал, пользуясь только бумагой и карандашом. Оказалось, что время течет по-разному в неподвижной системе и в равномерно движущейся. Формулы Эйнштейна были с огромной точностью подтверждены результатами экспериментов последних десятилетий: быстро движущиеся нестабильные частицы, такие, как пи-мезоны или мюоны, распадаются медленнее, чем неподвижные.
Каждое произведение искусства говорит нам о том, каким был его автор, о его мыслях и чувствах, даже одну и ту же сказку разные люди рассказывают по-разному. У каждого автора существуют особые приемы, свои образы, своя манера изображения - то, что называется стилем. Стиль работы существует и у физиков-теоретиков. Одним важно получить результат любым способом, другие разрабатывают наиболее подходящий к задаче метод, добиваясь более глубокого понимания. Одни решают задачи, которые прямо не связаны с опытом; другие работают в тесном контакте с экспериментаторами, теоретически анализируя эксперимент или планируя будущие опыты. Есть теоретики, предпочитающие строгий математический подход, а иным важнее подход качественный, когда результаты получаются на простых моделях и по возможности наглядно.
Среди физиков-теоретиков нашей страны были представители разных стилей.
Лев Давыдович Ландау сочетал глубокое качественное понимание проблем с виртуозным владением математическим аппаратом. Владимир Александрович Фок строго математически формулировал задачи. Игорь Евгеньевич Тамм изучал приближенные модели или использовал приближенные методы для решения сложной задачи. Николай Николаевич Боголюбов сочетает математику и теоретическую физику, он строгими методами изучает сознательно упрощенные модели явлений. Исаак Яковлевич Померанчук строил теории явлений, вскрывающих самые глубинные свойства мира, - его работы всегда оказывались на переднем крае науки. Яков Ильич Френкель выдвигал громадное количество идей, не стремясь довести исследование до конца, только качественно рассматривая задачи.
Чем сейчас занимается теоретическая физика? Важную задачу науки немецкий ученый Вильгельм
Оствальд формулировал так: «... находить соотношения между определенными и измеримыми величинами, чтобы из одних могли быть выведены другие». Это направление тесно связано с экспериментом, на нем основана, в частности, прикладная физика, дающая множество практических применений. Так, пользуясь законами движения электронов в металле, теоретики рассчитали кривую зависимости электрического сопротивления от температуры и объяснили природу сверхпроводимости.
Сущность другого направления развития науки определил ирландский математик Уильям Гамильтон: «Продвигаясь путем развития наших физиче-ких представлений, наука может продвигаться также и по пути изобретения новых математических методов». Теоретическая физика использует и развивает методы математики, которые помогают открывать свойства симметрии законов природы.
И наконец, главное - воспользуемся словами великого немецкого поэта Фридриха Шиллера: «Старайтесь найти вечный закон в чудесных превращениях случая, отыскать неподвижный полюс в бесконечной веренице явлений...» Наука открывает и исследует общие принципы, которые лежат в основе мироздания, такие, как причинность, свойства симметрии, законы сохранения. .. Так, квантовая механика обобщила классическое понимание причинности; теория элементарных частиц основывается на внутренних симметриях элементарных частиц; теория относительности - на симметрии пространства-времени...
Итак, теоретическая физика намечает пути к пониманию единства, симметрии и динамики явлений природы, к пониманию красоты Вселенной.
Но не будем забывать про эксперимент - любое теоретическое построение станет научной истиной, только подтвердившись экспериментом и дальнейшим
развитием теории. Задача экспериментальной физики - подтверждение или опровержение теоретических предсказаний на опыте, поиски новых неожиданных соотношений. Дальше речь пойдет именно о теоретической физике, поскольку это моя профессия, говорить о ней мне легче и интереснее.
Физика и математика. Макс Борн - немецкий ученый, один из основателей квантовой механики - сказал: «Математический формализм оказывает совершенно удивительную услугу в деле описания сложных вещей.. .» Действительно, количественное описание физического мира невозможно без математики - она дает способ решения уравнений, методы описания, она открывает красоту опытных наук Многие симметрии можно увидеть только с помощью сложнейших математических построений, после искусных преобразований.
Мы начали со слов Макса Борна, но привели только первую половину его высказывания о математическом формализме, а вторая вот:«. . . но он нисколько не помогает в понимании реальных процессов».
Математические построения не зависят от свойств окружающего мира, математика не интересует, для каких физических величин будут использованы уравнения, поэтому математика стала универсальным инструментом для всех естественных наук. Все выводы математики должны быть логически строгими и безупречными, вытекающими из принятых аксиом.
Физика старается нарисовать по возможности точную картину мира, используя и недоказанные предположения, оценивая, насколько они убедительны, угадывая, какие недостающие соотношения реализуются в природе. Если математик исследует все возможные типы геометрий, то физик выясняет, какие именно геометрические соотношения осуществляются в нашем мире.
Физик думает не столько о методах решения, сколько о том, законны ли сделанные упрощения, с какой точностью и при каких значениях переменных найденные уравнения правильно описывают явление и, главное, что произойдет, если результат подтвердится или будет опровергнут опытом, от каких предположений придется отказаться, как изменится наш взгляд на все другие известные явления.
Если случится, что все результаты какой-либо области физики можно будет вывести из нескольких строго установленных экспериментально аксиом, эта область станет разделом прикладной математики или техники, как это произошло с классической механикой, электродинамикой, теорией относительности. Теоретические построения в физике требуют постоянного согласования с уже известными законами природы, с тем, что мы знаем об окружающем мире. Физическая теория не логическая конструкция, а здание, построенное на правдоподобных предположениях, которые предстоит проверить.
Физика и математика - науки с разными целями и разными подходами к решению задач.
Как работают физики-теоретики. «Догадка предшествует доказательству»,- утверждал великий французский математик Анри Пуанкаре, имя которого еще не раз встретится вам на страницах этой книги. Прежде чем искать результат, нужно угадать возможное решение.
Можно принять такую последовательность действий в теоретической физике.
Сначала попытаться решить задачу самому, ничего не зная о том, как ее пробовали решать другие. Сделав первые качественные оценки порядков величин, предположив направление поисков, вы будете уже совсем по-другому читать литературу, активно, прикидывая тут же, как действовать дальше. Попутно выясняется, как могут ограничить область возможных решений общие принципы физики, например законы сохранения.
Теперь можно попробовать найти грубое качественное решение при разных параметрах задачи. Параметры - совокупность чисел, определяющих условия задачи. Затем нужно попытаться найти количественное решение задачи в предельных случаях, когда задача упрощается... Но начнем сначала.
Качественный анализ. Качественный анализ едва ли не самая важная стадия работы, когда почти без всяких вычислений получаются грубые соотношения между величинами, проясняется физическая картина явления. Один из главных элементов качественного анализа - решение задачи на упрощенных моделях, в которых отброшено все несущественное. Чтобы упростить задачу, надо знать, чем можно пренебречь.
Вы, наверно, слышали легенду о том, как воспитатели знаменитого силача упрощали сложную задачу: чтобы богатырь мог носить на плечах огромного быка, они с детства заставляли его носить маленького теленка. Теленок рос, но мальчик не замечал этого, поднимая его ежедневно, и вот в один прекрасный день люди увидели взрослого мужчину, легко несущего могучее животное.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ

В.Н.Гуськов

Принятые сокращения:
КНБ - концепция непосредственного близкодействия.
ФО - физический объект (любое физическое образование: поле, частица, атом и т.д.).

Из общей картины мировосприятия субъекта можно выделить ряд представлений относящихся к физической природе. Выраженные в виде ряда согласованных положений они будут представлять ту или иную мировоззренческую концепцию.
Такая философски концептуальная основа есть у любой фундаментальной физической теории.
Поэтому хотим мы того или нет но физика как теоретическая наука начинается не с математических формул, а с выявления наиболее общих закономерностей физического мира.
Любая физическая теория строится на базе осознанных или интуитивных представлений ее создателей об общем устройстве физического мира.
Мировоззренческие позиции авторов физической теории являются определяющими в формировании их взглядов на специфику конкретных физических явлений, строение ФО. Все экспериментальные данные также воспринимаются и объясняются с этих позиций.
Проблема состоит в том, что между концептуальностью философских основ физики и их закономерностью, строгим соответствием физической действительности, нет никакой связи. Философские концепции могут быть (несмотря на всё своё внешнее наукообразие) весьма далеки от физической действительности. (Именно по этой причине физики стараются держаться подальше от философского «словоблудия»).
Тем не менее, общие фундаментальные закономерности у природы есть, и опереться на них первейшая задача теоретической физики.

Концептуальными в механики Ньютона были положения о существовании физических корпускул (неделимых частиц), тел состоящих из них и пустоты заполняющей пространство между ними. Утверждалась также мгновенность действия между удаленными телами через пустоту.
Благодаря мгновенности дальнодействия обеспечивалась одновременность действий во взаимодействии, что позволяло видеть во взаимодействии единый физический процесс .
Теоретическая «жизнеспособность» концепции мгновенности дальнодействия с этим и связана. Такой взгляд на взаимодействие позволял успешно развиваться не только классической механике, но и другим областям физической науки, в том числе и возникшей теории электромагнетизма.
Это чисто формальное единство действий во взаимодействии нашло отражение в третьем законе Ньютона . Формализм этого закона состоит в отсутствии объяснений причин единения действий. Он просто констатировал факт наблюдавшейся одновременности действий.
На самом деле конечно мгновенность действий не имела прямого отношения к объективной взаимозависимости действий во взаимодействии присущей им от природы. На самом деле никакое действие просто не может возникнуть без строго соответствующего ему противодействия.
Это обстоятельство не позволяет произвольно отделять действия друг от друга, видеть в них отдельные, самостоятельные физические отношения и тем более явления . Однако ясных представлений о взаимозависимости действий тогда не было и наблюдавшуюся одновременность действий объяснили мгновенностью дальнодействия через пустоту.

В ходе дальнейшего исторического развития произошла смена концептуальной основы физической теории. На смену концепции дальнодействия через пустоту пришла концепция дальнодействия через материальную среду (посредника).
В современной физике ее ошибочно называют концепцией близкодействия.
Основой для возникновения новой концепции послужило предположение Фарадея о существовании полевой материи заполняющей, как ранее считалось, пустое пространство. Эта гипотеза в дальнейшем нашло подтверждение в опытах Герца. Максвелл, выполняя математическое оформление полевой гипотезы Фарадея, пришел к выводу о конечности скорости распространения физических процессов в полевой среде.
Все это поставило крест на концепции мгновенности дальнодействия через пустоту . Однако следует отметить, что в этих прогрессивных воззрениях на физическую природу нет объективных оснований для отказа от одновременности действий во взаимодействии.
Наоборот(!), если рассуждать логично, то факт материальности пространства должен привести к выводу о непосредственном (прямом) контакте тел ранее разделенных пустотой.
Материализация физического пространства позволяет видеть в ранее строго отграниченных друг от друга телах физические системы , которые включают в себя поля как недостающие , прежде не замечаемые и поэтому, якобы, отсутствующие, элементы .
Но произошло обратное – поля, а точнее процессы, происходящие в них были восприняты как посредники между объектами. В материальных процессах воспринимаемых как действия разделяющая ранее тела пустота материализовалось, став непреодолимым барьером для их непосредственного взаимодействия.
В результате вместе с «мыльной пеной» мгновенного дальнодействия был выплеснут и «ребенок» – формально верное понимание процесса взаимодействия.

Утверждение материальной опосредованности действия привело к возникновению множества проблем. Обратим внимание на некоторые из них.
1. Поле как посредник (переносчик действия) не может быть элементом физической системы: тело + поле.
Признав поле полноправным элементом системы, нужно признать, что система непосредственно взаимодействует с окружающими объектами, в результате опосредование исчезнет.
2. Если материальное поле «переносчик» действия, то вся материя должна делиться на два вида . На материю, которая сама фактически не может действовать , но может воспринимать воздействие — это все вещественные образования. И на материю, которая переносит действие и оказывает непосредственно(!) действие, но не может воспринимать противодействие — это поля .
Именно так объясняется механизм взаимодействия электрически заряженных тел — поле каждого из них действует на другое тело, но сами поля между собой не взаимодействуют, хотя вроде бы существуют в одном и том же пространстве.
3. Закон Ньютона о взаимодействии перестает “работать”. Действия оказываются не связанными друг с другом, их совпадение во времени и пространстве случайно и непредсказуемо.
В результате взаимодействие как полноценное физическое явление исчезает из теории . (Только из теории(!) , в физической природе оно как было, так и остается основным элементом любых физических отношений).

Как выше отмечалось, в качестве главного аргумента против мгновенного дальнодействия, а заодно с ним и против реальности полноценного взаимодействия используют факт конечности скорости распространения физических процессов. Однако на самом деле против взаимодействия этот аргумент не работает .
Действие и противодействие во взаимодействии «одновременны» не, потому что скорость их «распространения» мгновенна, а потому что они не только немыслимы друг без друга, но и реально не могут осуществляться самостоятельно .
Любое действие может возникнуть только тогда, когда есть противодействие и исчезает оно вместе с ним . Если говорить о какой-то последовательности в наступлении “событий”: действие – противодействие, то она отсутствует абсолютно .
И дело не в том, что они начинаются и завершаются одновременно, а в том, что они представляют собой одно объективно неделимое целое (событие) , где время (как и пространство) для них одно.
Поэтому представление о возможном последовательном развитии событий типа: возникновение действия – его распространение – реализация – возникновение противодействия и т.д. не соответствует действительности. И тот факт, что ФО может, например, испустить фотон, который только через какой-то промежуток времени достигнет другого объекта и вступит с ним в контакт, в данном контексте ни о чем не говорит, поскольку этот процесс не есть действие.

Действие неразрывно связано не только с противодействием, но и с действующим объектом, проявлением содержания которого оно и является .
Поэтому если мы утверждаем что в какой-то точке пространства-времени совершает действие конкретный объект, то, следовательно, его содержание и он сам(!) есть там . Иначе и быть не может!
Существует пространственно-временная зона непосредственно связанная с обоими взаимодействующими объектами, в которой и происходит «таинство» взаимодействия выражающееся в преобразовании взаимодействующих сторон . Эта зона является общей и не может быть удалена от них.

Т.о. отожествлять последовательное развитие какого-то конкретного процесса (типа: излучение фотона – его движение в материальном пространстве – поглощение или отражение другим объектом) с единичным действием нельзя.
Этот процесс может включать в себя множество последовательных взаимодействий, но не действий.
Видеть в нем единичное действие, можно только абстрагируясь от его конкретного содержания. Естественно, что такое абстрактное «действие», не есть отражение реального физического явления и не может отожествляться с ним.
На самом деле действие это сторона объективно неделимого единого процесса взаимодействия и оно, как физическое явление, в природе не существует .
Вывод — в формировании основополагающей концепции современной теоретической физики (концепции опосредованного действия) со всей очевидностью проявилась недостаточность серьезного философского анализа , на необходимость которого указывал еще дальновидный Максвелл.

Возникает вопрос – а может ли физическая теория, сформированная на базе внутренне противоречивой не отражающей действительность в максимально возможном объеме концепции, быть верной? Ответ очевиден — нет.
Последствия для теоретической физики такого не профессионального подхода к формированию основополагающей концепции катастрофичны . Она в своих построениях все дальше и дальше уходит от действительности, погружаясь постепенно в мир чистых абстракций .

Теперь обратимся к концепции непосредственного близкодействия (КНБ), которая изложена в одной из первых статей на этом сайте.
Она также является мировоззренческой и может быть использована в качестве основы для формирования физической теории. В чём ее отличие от рассмотренных выше концепций и чем она с ними схожа?
По мнению автора, она лишена ряда существенных недостатков своих предшественниц и вместе с тем опирается на все рациональное, что в них было.
Из концепции мгновенного дальнодействия она использует положение о равенстве и одновременности действий во взаимодействии, а из концепции опосредованного действия положение о материальности физического пространства.
С другой стороны КНБ отказалась от признания пустоты физическим фактором существующим наряду с материей и от представления о действии как самостоятельном физическом процессе.

В КНБ положение о равенстве и одновременности действий во взаимодействии и положение о материальности физического пространства получили дальнейшее развитие.
В ней уже не действие, а взаимодействие рассматривается в качестве элементарного акта любого физического процесса . Раскрывается преобразовательная суть физического взаимодействия.
Такая точка зрения на характер физического взаимодействия не «высосана из пальца», а возникла как единственно возможный вариант объяснения механизма передвижения физических объектов в материальном пространстве.
Оказалось что противостоящие во взаимодействии стороны (в качестве которых выступает содержание взаимодействующих объектов) преобразуют друг друга «по своему образу и подобию».
В результате взаимодействия ФО как бы меняются своим содержанием. И если преобразованию подвергается все содержание объекта, то он соответственно полностью перемещается в смежную область материального пространства.

В свою очередь понимание взаимодействия как преобразовательного процесса повлекло за собой изменение представлений о том, что такое вообще есть ФО.
Оказалось, что если принимать во внимание преобразовательный характер физического взаимодействия, то невозможно представить себе ФО как некое субстанциональное образование связанное раз и навсегда с конкретной материей . Что это значит?
Это значит, что движение ФО в материальном пространстве есть процесс перемещения определенного состояния материи в материи , а не самой материи как таковой.
Соответственно и все атрибуты присущие ФО (такие как масса, энергия, импульс и т.д.) также не перемещаются в пространстве, а возникают (и исчезают) вновь и вновь в каждой смежной точке материального пространства в ходе преобразовательных взаимодействий.
Остается только добавить, что согласно КНБ абсолютная материальность физического мира предполагает не просто материальность физического пространства, а нечто большее, что обеспечивает действительный переход понятия «пространство» из разряда определяющих (основополагающих) понятий в разряд производных.
Пространственность становится всего лишь качественным показателем материи (ее свойством). Поэтому правильнее видеть не материю (как некий наполнитель геометрического объема) в пространстве , а пространственную материю.
Соответственно и все геометрические показатели теперь характеризуют не какое-то абстрактное пространство, существующее само по себе, а именно материю обладающую свойством пространственности .

Все новое в представлении о физической природе связанное с преобразовательным процессом взаимодействия является, пожалуй, самым сложным в понимании элементом КНБ.
Без достаточного осознания преобразовательной сути физического взаимодействия и всех сопутствующих компонентов нельзя понять КНБ как основу целостной теории.

Здесь изложена не полная версия КНБ.
Некоторые «второстепенные» ее положения опущены, а логичная последовательность в изложении материала не всегда соблюдается.
Не упоминается также и одно из возможных следствий КНБ – гипотеза полуквантов. (Её, вероятно, мы будем использовать для объяснения механизма электромагнитных явлений и структур ФО участвующих в них).
Для получения более полной информации необходимо обратиться к первым статьям сайта.

Почему эта статья помещена в раздел электромагнитных явлений в качестве вводной?
Да потому что без ясного (хотя бы в общих чертах) представления о содержании КНБ и роли ее в формировании новых взглядов на природу, казалось бы, хорошо изученных электромагнитных явлений невозможно понять логику рассуждений автора.
Наша цель — показать, как действительно может быть устроен физический мир в его конкретных проявлениях, если исходить в его познании из КНБ.

Что такое наука? - Область знаний, которая позволяет выдавать точные предсказания.

С места в карьер! В физике есть три главные константы: скорость света (с = 3 *10 10 см/с), гравитационная постоянная (G = 6,67 * 10 -8 см 3 /гр сек) и постоянная Планка (h/2pi = 1,05 * 10 -27 эрг сек). Теории делятся по тому, как они учитывают эти константы.

1.
Исторически первой была создана классическая (Ньютоновская) механика. Она стоит на законах Ньютона и преобразованиях Галилея.

Преобразования линейны, интуитивны и просты. Машина едет со скоростью 5 [бананов в полторы минуты] относительно меня, я еду на автобусе в том же направлении относительно плакучей ивы со скоростью 2 [банана в полторы минуты], значит относительно ивы машина едет со скоростью 7 [бананов в полторы минуты].

Первый закон Ньютона об опытах в поезде премиум-класса на прямом (!) магнитном монорельсе в вагоне-термосе.

Второй: производная по времени от импульса равна силе (dp /dt = F , жирные - вектора). Именно так, не фе равно ма. Кстати, в его времена не знали что такое производная и придумал ее он (Математические начала натуральной философии). Правда, это было не строго математически и ни о каких пределах тогда не слышали (вы же помните как вводится производная в матане?), но теоретические расчеты (читай --предсказания) сходились с экспериментом.

Третий для решения статических задач и для сглаживания некоторых противоречий.

Так вот, эта теория из трех Констант не учитывает ни одной! Закон всемирного тяготения вводится ручками и является уступкой опыту.

2.
Далее (хронологически) появилась специальная теория относительности. Конечно, математический аппарат для нее уже был готов, но только молодому тогда Эйнштейну удалось обосновать перед серьезными физиками состоятельность теории, использующую его (аппарат).

Суть - все как раньше (про поезд), но есть максимальная предельная скорость, скорость света, которая, более того, для света одна и та же для любого(!) наблюдателя, стоите Вы или бежите и не важно в какую сторону. Если хотите, я честно выведу преобразования Лоренца только из этих соображений и только с помощью ловкости рук!

Вот это и называется учесть скорость света. Прям так сразу, как постулат в основании теории.

Кстати сказать, завершенная к тому моменту электродинамика уже удовлетворяла этим условиям. Я про скорость света.

3.
Следующей вехой была общая теория относительности. Здесь мы имеем искривление пространства-времени, как реакцию пространства на (если я скажу «на массу», серьезные ребята меня побьют. Но по сути энергия и масса одно и то же и так как у всего, что имеет массу есть энергия, но не у всего с энергией есть масса. Например фотон. Поэтому говорим -->), так называемый, тензор энергии-импульса, который можно считать гравитационным зарядом. Этим искривлением и объясняется то, что даже безмассовые частицы заворачивают черные дыры. Они-то летят прямо, но это «прямо» неправильное, не совсем прямое.

В наши удивительные времена мы используем и эту теорию во всю! Ярким примером служат системы навигации. На спутниках GPS/ГЛОНАСС/… должны быть очень точно синхронизированы часы. Очень! Учитывается замедление времени при движении с большими скоростями, плюс движение с ускорением (центростремительное), плюс искривление пространства-времени при движении вблизи массивного тела.

Вот тут G и c такие, какими должны быть.

4.
Если предыдущие теории были почти целиком плодом одного человека, то квантовая механика это дитя мозгового штурма. В двадцатых годах того века интенсивная переписка оформила теорию и была проведена проверка на экспериментах.

Ничего, казалось не предвещало беды, но три вещи были как бельмо на глазу (на самом деле больше, например зависимость проводимости металлов от температуры):
а) Фотоэффект, за который Эйнштейн получил Нобелевку (ну конееечно, за нее!). Классика, говорившая что свет - волны предсказывала что-то ну совсем не то. Но если представить, что это частицы и написать «шарик стукнул другой и остановился, а второй полетел почти так же быстро, только трение чуть затормозило» в виде формулы, то можно предсказывать все точно.
б) Спектр абсолютно черного тела. Была выведена одними формула для высокой температуры, другими для низкой, третий аппроксимировал, да так удачно, что все стало всегда сходиться. Только эта формула кричала о том, что свет - частица. Этого «третьего» звали Макс Планк и он потратил всю жизнь, чтобы опровергнуть свою формулу, являясь сторонником классической физики.
в) Эффект Комптона. Если свет - волна, то электрон должен качаться на волнах и испускать вторичное излучение такой же длинны волны (читай - энергии, ведь E = hv, где v - длина волны света), что и первичное, падающие. Но в опыте энергия оказывается меньше.

Кстати, еще после выдвижения планетарной модели атома встал вопрос о падении электрона на ядро. Действительно, почему он не падает? По расчетам электродинамики должен за пару наносекунд (если интересно, то напишу подробнее и про это). Так родился один из постулатов (о существовании стационарных орбит). На самом деле есть что-то в том, что в «длину» орбиты электрона должно помещаться целое число волн (Де Бройль предложил рассматривать и частицы как волны, почему нет. Мы же электромагнитные волны стали рассматривать как частицы)

Так мы учли постоянную Планка. Кстати, про перечеркнутую h: когда Нильс Бор приезжал к нам и читал лекции, ему задали вопрос о символе

Заголовок спойлера

Это было 3/2pi.

5.
Поженить квантовую механику и специальную теорию относительности не составило особого труда. Просто вместо уравнения Шредингера, которое является местным аналогом закона сохранения энергии, записываем уравнения Дирака, суть которого - E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 и дальше аналогично 4.

Тут сидит квантовая электродинамика, квантовая теория электрослабого взаимодействия (про фундаментальные виды взаимодействия, если интересно, в следующей статье напишу) и квантовая хромодинамика. Все понятно «качественно», многое понятно «совсем».

Вот мы учли c и h/2pi.

6.
Теории, которые стараются учесть гравитацию почему-то часто имеют приставку супер-. Суперструны, суперсимметрия и т.д. Но ничего не выходит.

Суть проблемы в принципе неопределенности и искривлении пространства-времени. Если мы локализуем частицу в все более маленьком объеме, неопределенность импульса будет увеличиваться вместе с его максимальным возможным значением. С ростом импульса растет (говорим правильно!) тензор энергии-импульса (напомню, гравитационный заряд), а вместе с ним, как говорит ОТО, пространство-время сильнее искривляется, становится «меньше», а это значит бОльшую локализацию и по кругу. Со второй парой (энергия-время) не так интуитивно, но принцип тот же.

Вот и нет у нас пока теории, которая учитывала бы все.

С экспериментом все еще хуже. Приведу числа: два протона на некотором расстоянии (Планковская длина, если Вы понимаете о чем я. Если нет, то не страшно, тут это не важно) взаимодействуют посредством сильного взаимодействия (простите за тавтологию) - 1, электромагнитного - 10 -2 (0,01), слабого - 10 -5 (0,00001), гравитационного - 10 -38 (написать?)

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЕ ЕДИНСТВО ФИЗИКИ

А.С.Кравец

По оценке А.Б.Мигдала, “история естествознания - это история попыток объяснить однородные явления общими причинами” . Стремление к такому единству отнюдь не исчерпывается мировоззренческими потребностями в объяснении мира: в физике оно всегда играло важную конструктивную роль в формировании новых теорий. Так, Г.Галилей, устранивший качественное различие между законами Неба и Земли, провозгласил и осуществил программу поиска единых основополагающих физических принципов, с помощью которых можно объяснить любое механическое явление. Его дело продолжил И.Ньютон, создавший великую теорию, ставшую знаменем классической физики.

В работах Л.Эйлера, П.Лагранжа, У.Гамильтона, Б.Якоби классическая механика стала поистине универсальной теорией, способной на основе минимального числа исходных постулатов объяснить все механические явления. В конечном итоге успехи классической механики были настолько велики, что большинство ученых стали считать, что идеал единства всей науки уже достигнут, необходимо только распространить принципы механики на все разделы естествознания, а может быть, и на обществознание (Ж.–П.Лаплас). Единство, таким образом, понималось как сводимость всех физических явлений (и не только физических) к одной единственной идеальной теории.

Возникновение неклассической физики (специальной теории относительности и квантовой механики) нанесло сокрушительный удар по этим унитаристским амбициям. Шок от формирования нетрадиционных теорий, кардинально расходящихся с классическими установками, был настолько велик, что многие исследователи стали говорить о руинах старых принципов. Науке понадобилось значительное время, чтобы осмыслить качественную специфичность неклассической физики, ее несводимость к классическим идеалам. Идея единства физики, казалось бы, заметно пошатнулась. Физики стали отдавать предпочтение идее разнообразия перед идеей единства. Физика разбилась на различные предметные сферы: область движения с малыми скоростями противопоставлялась движению с большими (релятивистскими) скоростями, поле - веществу, микромир - макромиру и т.п. Именно с утверждением неклассической физики приходит убеждение, что подлинное развитие в науке совершается только через кардинальные революционные перевороты, а новая физическая теория должна быть альтернативна старой. Один из гениальных основателей новой физики Н.Бор даже высказывался в том духе, что новая теория в физике должна быть настолько нетрадиционной, чтобы казаться достаточно “сумасшедшей”. Правда, уже сам Н.Бор в ходе разработки квантовой механики сделал несколько важных шагов, чтобы установить связь квантовой теории с классической физикой. Он мастерски применял принцип дуализма и принцип соответствия. Первый принцип позволял перекинуть мост между полем и веществом, волновыми и корпускулярными свойствами, объединяя их в квантово–механическом подходе, который позволял находить предельные связи между новыми и старыми теориями. И все же убеждение в качественном разнообразии физики, в принципиальной несводимости теорий было всеобщим.

Но крот истории рыл усердно. Постепенно физика вошла в новый этап своего развития, который можно назвать постнеклассическим. Представление об этом этапе в методологию науки ввел В.С.Степин. “В историческом развитии науки, - пишет он, - начиная с XVII столетия, возникли три типа научной рациональности и соответственно три крупных этапа эволюции науки, сменявших друг друга в рамках развития техногенной цивилизации: 1) классическая наука (в двух ее состояниях: додисциплинарно и дисциплинарно организованная наука); 2) неклассическая наука; 3) постнеклассическая наука. Между этими этапами существуют своеобразные перекрытия, причем появление каждого нового этапа не отбрасывало предшествующих достижений, а только очерчивало сферу их действия, их применимость к определенным типам задач. Само же поле задач резко расширялось на каждом новом этапе за счет развития новых средств и методов ” . Характерные особенности постнеклассического этапа в физике, развернувшегося в основном в последней трети XX в., еще предстоит осмыслить методологам, но уже сейчас видно, что он в значительной мере изменил наши представления о единстве физики. Этот этап диалектически преодолевает тезис классического периода об унитарном единстве физики и антитезис неклассического периода о ее качественном многообразии, подводя к заключению “о единстве в многообразии”.

Процесс интеграции физических теорий начался сразу же после разработки новых фундаментальных теорий (специальной теории относительности и квантовой механики) и развернулся на двух уровнях развития физических теорий. Во–первых, продолжалась углубленная работа по наведению мостов между классической и квантовой физикой. В основном этот процесс осуществлялся на очень абстрактном уровне обобщения математических формализмов. В результате стало очевидным, что при всем качественном различии конкретных физических смыслов и интерпретаций основных формул классической и квантовой механики между ними много общего (ведь и то и другое - все–таки механика). Математическим инвариантом здесь выступает обобщенный математический формализм П.Лагранжа, который соответствующим образом модифицируется в каждой теории (обобщенным координатам классической теории соответствуют эрмитовы операторы в неклассической теории). Были найдены также общие теоретико–групповые закономерности, которым подчиняется и та и другая теории.

Во–вторых, развернулся поиск новых теорий на путях синтеза уже имеющихся теорий. Задача–максимум, которую ставили перед собой физики, преследовала цель создания общей теории поля. Прецедент поиска такой общей теории был задан А.Эйнштейном при разработке общей теории тяготения (гравитации), в которой он пытался перекинуть мост от гравитации к электродинамике. Однако попытка квантования таких полей натолкнулась на неразрешимые математические трудности из–за появляющихся бесконечностей. Первый существенный прорыв удалось получить при разработке квантовой электродинамики, явившейся своеобразным синтезом электродинамики, квантовой механики и специальной теории относительности. Однако квантовая электродинамика была разрешима, т.е. приводила к последовательно вычисляемым результатам, только для особых исключительных случаев невзаимодействующих с частицами полей: она хорошо описывала состояние поля с наинизшей, невозбужденной энергией физического вакуума. Попытка учета возбужденных уровней и взаимодействия электромагнитного поля с электрон–позитронным полем приводила все к тем же расходимостям.

Второй прорыв был достигнут на пути объяснения сильных взаимодействий. Была создана квантовая хромодинамика, которая во многом строилась по аналогии с квантовой электродинамикой. Квантовая хромодинамика ввела представление о фундаментальных субчастицах - кварках, из которых построены сложные частицы - мультиплеты. Построение квантовой хромодинамики подсказало две фундаментальные идеи, которые впоследствии легли в основу программы объединения различных типов физических взаимодействий. Первая идея позволяла ввести представление об эффективном заряде, зависящем от расстояния взаимодействия (идея асимптотической свободы). Вторая состояла в том, что любая объективная теория должна быть инвариантна по отношению к калибровочным преобразованиям, т.е. должна быть теорией калибровочных полей особого типа - так называемых неабелевых калибровочных полей.

В 70–х годах были достигнуты успехи на пути объединения слабых и электромагнитных взаимодействий в одну теорию электрослабого взаимодействия . В основу “демократического” принципа объединения было положено конструирование двух мультиплетов. Один из них соответствовал теоретико–групповым свойствам лептонов (электроны, мюоны, нейтроны и соответствующие античастицы), другой - объединял промежуточные векторные частицы (фотон и W–мезоны), переносящие взаимодействие между лептонами. Именно в построении единой теории электрослабых взаимодействий был найден руководящий принцип синтеза различных взаимодействий - принцип локальной симметрии.

Под глобальными симметриями понимают обычно внутренние симметрии взаимодействий, не зависящие от положения в пространстве и времени. Использование глобальных симметрий оказалось особенно эффективным в теории взаимодействия кварков (“восьмеричный путь”). Локальная симметрия оставляет тождественными характеристические функции полей при непрерывном переходе от точки к точке. Принцип локальной симметрии перебросил мост между динамическими симметриями и пространством и временем. Физическими следствиями локальной симметрии являются существование безмассовых частиц, которые служат переносчиками взаимодействия, и сохранение заряда частицы, который характеризует силу взаимодействия с этим переносчиком.

Идея локальной симметрии была дополнена второй принципиально важной идеей спонтанного нарушения симметрии. Грубо говоря, если первая идея позволила найти теоретико–групповое единство двух видов взаимодействий, то вторая позволила объяснить возникающие у них при определенных физических условиях различия. Спонтанное нарушение симметрии, связанное с особым состоянием поля (образованием бозе–конденсата) должно было приводить к появлению реально наблюдаемых масс частиц, зарядов и разделению взаимодействий. Для теоретического объяснения этих сложных процессов была построена теория Хиггса.

Наконец, нельзя не сказать и о серьезном продвижении в старой проблеме перенормировок масс и зарядов (борьба с расходимостями). На пути объединения взаимодействий с этой проблемой оказалось легче справиться. В конечном счете была развита общая теория перенормировок - теория ренормгрупповых преобразований, которая вскрыла зависимость константы взаимодействий от радиуса взаимодействия .

Все эти потоки развития теоретической мысли привели к новому объединению - единой теории электрослабых и сильных взаимодействий, - называемому обычно Великим объединением. В основе этой теории, вобравшей в себя по существу все основные результаты физики элементарных частиц, лежит синтез новых физических принципов (принципа калибровочных полей, принципа локальной симметрии вместе с идеей спонтанно нарушенной симметрии) и новый статус ренормгрупповых преобразований . Перед современной физикой открылись грандиозные перспективы для нового решающего шага в синтезе взаимодействий. Впереди - объединение гравитации с остальными видами взаимодействий (суперобъединение) . “Объединение всех взаимодействий в суперобъединение, - пишет А.Б.Мигдал, - в принципе означало бы возможность объяснить все физические явления с единой точки зрения. В этом смысле будущую теорию называют Теорией Всего” .

Программа объединения физики стимулировала методологический интерес к анализу отношений между физическими теориями , получивших название интертеоретических. В настоящее время известно пять типов интертеоретических отношений.

Генерализация - процесс обобщения физических теорий, в результате которого удается более единообразным способом описать класс физических явлений по сравнению с предшествующими формулировками (вариантами) теории. Обобщение физических теорий всегда предполагает изменение в математическом формализме, который не только расширяет сферу действия теории, но и позволяет выявить новые закономерности, обнаружить более “тонкую” структуру физической реальности.

Редукция, которая, как специфическое отношение между теориями, является предметом давних методологических дискуссий. В широком философском смысле под редукцией понимают возможность сведения (или выведения) закономерностей (свойств) сложного объекта к закономерностям (свойствам) составляющих его элементов. Именно в этом плане протекают наиболее острые философские дискуссии о соотношениях биологии и физики, химии и физики. Однако вопрос о редукции физических теорий является более узким и конкретным. В этом специфическом значении редукция предстает как логическое отношение двух теорий, одна из которых является идейно–концептуальной основой для выведения другой. Тогда можно сказать, что первая теория является базовой (фундаментальной), а вторая - редуцируемой (феноменологической) теорией.

Асимптотические отношения имеют существенное значение для понимания преемственности в развитии физических теорий. Суть этих отношений состоит в том, что они выражают предельные переходы теорий друг в друга. Термин “асимптотический” (предельный) указывает на особый недедуктивный характер связи физических теорий. Асимптотические отношения не могут быть сведены ни к обобщениям (генерализациям), ни к редукции. Асимптотические переходы наиболее ярко проявляются в связях между фундаментальными теориями, относящимися к разным уровням физической реальности.

Эквивалентные отношения предлагают равноправность теоретических описаний одной и той же предметной реальности. Отношение эквивалентности таит в себе глубокое диалектическое противоречие в связях теории с эмпирией, которое в антиномической форме может быть выражено как “различие тождественного”, или “тождество различного”. Эта скрытая диалектика эквивалентных описаний ведет к весьма неоднозначным оценкам их роли в научном познании. Абсолютизация различий ведет фактически к отрицанию самой возможности эквивалентности теоретических описаний. Абсолютизация тождественности ведет к другой крайности: к признанию их конвенциональности, возможности чисто условного выбора физических теорий.

Трансляция - это эвристический и весьма распространенный прием переноса идей, методов, моделей из одной теории в другую. Частным случаем трансляции является использование аналогий.

Наконец, синтез, который является эвристической формой объединения различных теорий, их исходных принципов или формализмов, в результате чего появляется новая теория. Синтез не может быть сведен к механическому объединению теорий, а всегда опирается на новые конструктивные идеи, позволяющие в едином подходе сочетать уже известные принципы и формализмы. Классическим примером синтеза является создание квантовой электродинамики. На путях синтеза возникали и современные объединительные теории, хотя при их создании также активно использовались отношения генерализации и трансляции физических идей.

Наличие интертеоретических отношений говорит о том, что между различными физическими теориями нет непроходимой пропасти, что физика не является конгломератом теорий, а, напротив, представляет собой развивающуюся теоретическую систему. Каждая теория занимает вполне определенное место в этой системе и через интертеоретические отношения связана с другими теориями. Ее идеи в большей или меньшей степени могут быть заимствованы из других теорий (трансляция), физическая теория может быть обобщением или конкретизацией другой теории, являться одним из эквивалентных описаний, быть редукцией или асимптотическим приближением, возникать как результат синтеза нескольких теорий. Таким образом, система физических теорий обладает очень сложной структурой. Эта структура обнаруживает “тонкую” диалектику единства и различия, она по разному проявляется на различных уровнях физического описания реальности. В работе Н.П.Коноплевой выделены четыре таких уровня: 1) фундаментальные общие принципы; 2) математический аппарат; 3) теоретические модели; 4) эксперимент. Переход от первого уровня к четвертому соответствует конкретизации физических утверждений, и наоборот, при восхождении от эмпирических описаний к фундаментальным принципам возрастает абстрактность и общность утверждений. Эту схему следует, по–видимому, уточнить, поскольку еще более общим, чем фундаментальные принципы, будут утверждения метатеоретического плана, т.е. общие закономерности строения физических теорий, модели физических теорий и т.д.

Теперь становится ясно, что степень сходства (общности) и различия физических теорий зависит от уровня абстрактности анализа этих теорий, т.е. теории могут совпадать в фундаментальных принципах, но различаться математическим формализмом, моделями и т.д., они могут основываться на одном и том же математическом формализме, но различаться другими уровнями конкретизации физических утверждений. Безусловно, существует известное всем различие между классическими и квантовыми теориями. Однако если мы ограничимся сравнительным анализом их математического формализма, то увидим здесь много общего. Действительно, лагранжев формализм, который олицетворяет собой классические теории, путем соответствующего обобщения может быть экстраполирован и в область квантовых теорий. Тем более сглаживается это различие на уровне фундаментальных общих принципов, например, симметрии и инвариантности.

На уровне математических формализмов можно увидеть различие между динамическими и теоретико–групповыми теориями. Первые описывают взаимодействие между объектами, формулируют в дифференциальной или интегральной форме уравнения движения, вторые выступают в качестве теории инвариантов физических величин, в них формулируются соответствующие теоретико–групповые преобразования физических величин, правила нахождения инвариантов теории. Однако на метатеоретическом уровне выясняется, что с каждой динамической теорией может быть сопоставлена соответствующая группа и таким образом на этом уровне элиминируется альтернативное противопоставление этих классов теорий. Следовательно, то, что на одном уровне анализа теории выступает как специфическое, качественно своеобразное, на другом уровне, более абстрактном, выступает как единое и общее.

Эту ситуацию можно пояснить на аналогии. Так, например, вегетарианцы и мясоеды рассматриваются обычно как антиподы, однако с более общей точки зрения все они тождественны как люди, потребляющие пищу.

По–видимому, остается пока глубокое принципиальное различие (на уровне математических формализмов) между вероятностно–статистическими и жестко детерминированными теориями. Однако в свете последних исследований по теории странных аттракторов и эта альтернативность кажется поколебленной, ибо удалось показать, что строго динамические системы (жестко детерминированные) могут вести себя точно так же, как вероятностные системы .

Наиболее общими конструктивными элементами физической науки являются ее фундаментальные принципы. К ним относятся принцип причинности (обусловленный последовательной передачей физического взаимодействия от точки к точке, т.е. близкодействием), экстремальные принципы, а также принципы симметрии и инвариантности. Последний класс принципов играет особенно важную роль в построении физических теорий. Е.Вигнер называет их сверхпринципами. Действительно, если физический закон устанавливает некое тождество (единообразие) в классе явлений, то принцип инвариантности устанавливает уже единообразие в классе физических законов, т.е. некоторую их тождественность по отношению к математическим преобразованиям (переносам, сдвигам, вращениям и т.д. в физическом пространстве и времени). “Именно переход с одной ступени на другую, более высокую, - пишет Е.Вигнер, - от явлений к законам природы, от законов природы к симметрии, или принципам инвариантности, - представляет собой то, что я называю иерархией нашего знания об окружающем мире” .

В последние десятилетия в физике произошла “бесшумная” революция, связанная с некоторой переоценкой принципов симметрии. Обычно считалось, что главным для построения физической теории является сохранение симметрии физических характеристик. Но оказалось, что ничуть не меньшее эвристическое значение имеет нарушение типов симметрии. Открытие явления нарушенной симметрии обусловило существенный прорыв в развитии физики элементарных частиц.

Не меньшей общностью, чем фундаментальные физические принципы, обладает формализм лагранжева и гамильтонова типа. Вместе с добавлением некоторых экстремальных принципов он применим для описания широкого класса физических объектов (частиц, токов, полей и т.п.).

Если опуститься на более конкретный уровень теоретических описаний в физике, то здесь мы находим обособленные, качественно различные фундаментальные теории. В понятие фундаментальной теории вкладываются обычно два признака: во–первых, фундаментальная теория не выводима и не сводима к другой теории, обладает самостоятельным статусом; во–вторых, она универсальна, что означает ее применимость для описания широкого класса явлений, которые отнюдь не однотипны, не изоморфны между собой.

К числу фундаментальных теорий относятся классическая механика, статистическая механика, классическая электродинамика, специальная теория относительности, квантовая механика. На основе указанных фундаментальных теорий могут возникать путем синтеза их гибриды и производные формы: релятивистская классическая механика, релятивистская электродинамика, квантовая электродинамика, объединенная теория электрослабых и сильных взаимодействий и т.д. Таким образом, можно говорить о существовании элементарных (исходных) и синтетических (производных) фундаментальных теорий.

Фундаментальные теории соотносятся с физической реальностью с помощью специально подобранных теоретических моделей. Каждая фундаментальная теория обрастает целым рядом частных теорий, конкретизирующих фундаментальную схему описания применительно к определенному классу моделей. Фундаментальная теория имеет тенденцию развиваться не только в плане конкретизации (порождая семейство частных теорий), но и в плане дальнейшей генерализации. В этом случае фундаментальная физическая теория начинает приближаться по своей форме к математической теории. Так возникает аналитическая механика Лагранжа, дираковская операторная формулировка квантовой механики, теория калибровочных полей и т.д.

Наряду с фундаментальными и частными теориями в физике необходимы еще вспомогательные теории, служащие для решения тех математических задач и преобразований, которые возникают в русле развития физических теорий. К вспомогательным теория относятся теории перенормировок, теория возмущений, метод самосогласованного поля (метод Хартри–Фока) и т.д.

Таким образом, выявляется довольно сложная сеть связей физических теорий. Несущая конструкция всего здания физики представлена фундаментальными принципами и универсальными математическими формализмами, все здание держится на элементарных фундаментальных теориях, над которыми возвышаются производные фундаментальные, частные теории, гибридные формы. Между этажами здания существует множество “лестниц”, “переходов”, “крепящих конструкций” и т.д.

Выявление общих закономерностей в строении и развитии физических теорий позволяет поставить вопрос о возможности общего формализованного подхода к построению физических теорий. И такие подходы уже существуют в современной теоретической физике. В качестве исходного предмета их исследования выступает множество физических теорий, следовательно, они в принципе являются метатеоретическими и представляют собой верхний уровень в развитии физики.

Один из интересных подходов, разработанных Ю.И.Кулаковым, получил название теории физических структур . В этой теории происходит абстрагирование от первичных (и неопределимых в принципе, по мысли автора) понятий и моделей физических теорий (таких, как волна, частица, ток и т.п.) и сосредоточение на отношениях, существующих между физическими объектами. Отвлечение от “внутренней” природы физического объекта, представление его в качестве “черного ящика” - это та цена, которую нужно заплатить, чтобы выявить структурное единство физических теорий. Основной задачей теории физических структур становится разыскание общей симметрии в отношениях соответствующих множеств объектов, получившей название феноменологической симметрии. Исходным множеством анализа является эмпирическая матрица, элементы которой получены из измерений двух классов объектов. На соотношения элементов матрицы накладывается ограничение, выражающееся в существовании некоторой функциональной зависимости, вид которой не зависит от выбора измеряемых объектов из исходных классов. Это и есть принцип феноменологической симметрии. Ограничение конкретного вида функциональной зависимости (ее равенство нулю) приводит к формулировке физического закона.

Таким образом, через анализ вида феноменологической симметрии приходят к открытию фундаментальных законов физики, а физика в целом будет представлена различными физическими структурами.

Анализируемая теория не применима ко всем разделам физики и имеет ряд принципиальных возражений с точки зрения ее реальной осуществимости . Однако ценность ее состоит в том, что она открывает новый, нетрадиционный путь построения физических теорий “сверху” и подчеркивает глубокое структурное единство физики.

В основу другого, метатеоретического подхода, развитого Г.А.Зайцевым, положены идеи объединения геометрических теорий, изложенные в “Эрлангенской программе” . Этот подход получил название общей теории физических теорий, главной и определяющей характеристикой которых предлагается считать соответствующую фундаментальную группу.

В общей теории физических теорий выбирается множество физических теорий, имеющих общие инвариантно–групповые свойства и вместе с тем различающихся некоторым параметром группы. Фундаментальные группы (представляющие эти теории) должны быть связаны предельным переходом. Предельные параметры группы (например, скорость света c) и способ предельного перехода будут определять соответствующую физическую теорию.

Однако теоретико–групповой подход к построению физических теорий явно недостаточен, он не дает возможности различать некоторые существенные признаки принципиально различных теорий. Например, одна и та же группа Галилея представляет и нерелятивистскую классическую механику, и нерелятивистскую квантовую механику. Поэтому дальнейший этап в развитии общей теории физических теорий связан с синтезом теоретико–групповых и алгебраических представлений, т.е. с алгебраизацией общей теории физических теорий.

Основополагающим в алгебраическом подходе становится понятие алгебры наблюдаемых, которая определяется системой алгебраических операций и тождественных отношений на множестве наблюдаемых (обобщенные координаты и импульсы - для неклассических теорий, эрмитовы операторы - для квантовых теорий).

В качестве математического аппарата алгебраической схемы общей теории физических теорий выступают алгебры Ли и группы Ли. Общая структура конкретной физической теории, определяемая предельным переходом, задается свойствами алгебры наблюдаемых, а фундаментальная группа характеризует инвариантные свойства динамических уравнений и с ее помощью уточняется интерпретация отдельных наблюдаемых.

Возможности алгебраической теории физический теорий, конечно, не следует оценивать как открытие универсального алгоритма построения физических теорий. Этот подход также имеет ряд принципиальных трудностей , но он безусловно позволяет увидеть то, что ранее оставалось незамеченным, - системное единство физики, глубокую связь формализмов фундаментальных физических теорий.

До сих пор физика развивалась традиционным путем, который может быть назван “вавилонским”: от отдельных фактов и зависимостей к построению физических теорий, которые исторически выглядели как несвязанные или даже противоположные друг другу. Второй путь, который может быть назван “греческим”, изначально исходит из некоторых общих абстрактных математических свойств множества физических теорий. Первый путь предполагает восхождение от частного к общему, второй - создание универсальной конструктивной схемы физических теорий и от нее - спуск (через конкретизацию и интерпретацию) к отдельным физическим теориям. Первый путь дал нам все, что мы имеем в физике, второй путь пока лишь осветил новым светом уже достигнутое. Возможно, что трудности на “греческом” пути окажутся еще более глубокими, чем те, которые нам встретились на “вавилонском” пути, однако эвристическая ценность развиваемых метатеоретических подходов состоит прежде всего в том, что они позволяют выявить внутреннее единство физических теорий, представить физику как систему физических теорий.

Любая новая физическая теория имеет в некотором смысле потенциальные основания в уже существующей системе физических теорий. Анализ сложной сети физических теорий позволяет делать определенные прогнозы о структуре возможной новой теории наподобие того, как периодическая система Менделеева позволила предсказывать еще не открытые эмпирическим путем химические элементы. Связи новых теорий с существующими можно характеризовать как интертеоретические отношения, т.е. возникающие на пути синтеза, обобщения, асимптотического приближения существующих теорий. В свете сказанного становится более понятным, что современная физика пошла не по пути изобретения “сумасшедшей” теории, предсказанному Н.Бором, а по пути объединения и обобщения известных теорий.

Новое постнеклассическое единство физики может быть охарактеризовано как системное единство, а физику в целом можно рассматривать как систему физических теорий. По своей организации она в сильной степени напоминает биологические системы, например, биогеоцинозы. Действительно, здесь существуют свои роды и семейства теорий, характерное для строения теорий отношение генотипа (абстрактного формализма) и фенотипа (конкретных его воплощений и интерпретаций). Новая теория наследует некоторые признаки родительских теорий и возникает на пути их “скрещивания”. Система в целом постоянно эволюционирует, порождая новые “виды” физических теорий. Существенным признаком системы физических теорий является ее высокая адаптируемость, приспособляемость к физической реальности. Именно благодаря этой адаптируемости, корни которой питаются активностью человеческого разума, относительно ограниченная сеть теорий способна вылавливать необходимую информацию из бесконечного океана объективной реальности. “Хитрость разума” становится достаточной для понимания бесконечной сложности окружающего нас мира.

Литература

Мигдал А.Б. Физика и философия // Вопр. философии. 1990, № 1. С. 24.

Степин В.С. Научное познание и ценности техногенной цивилизации // Вопр. философии. 1989, № 10. С. 18.

См.: Вейнберг С. Идейные основы единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий // УФН. 1980. Т. 132, Вып. 2; Глэшоу Ш. На пути к объединенной теории - нити в гобелене // УФН. 1980. Т. 132, Вып. 2.

См.: Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Ренормгруппа? Это очень просто // Природа. 1984, № 6.

См.: Салам А. Калибровочное объединение фундаментальных сил // УФН. 1980. Т. 132, Вып. 2.

См.: Генденштейн Л.Э., Криве И.В. Суперсимметрия в квантовой механике // УФН. 1985. Т. 146, Вып. 4; Березинский В.С. Объединенные калибровочные теории и нестабильный протон // Природа. 1984, № 11.

Мигдал А.Б. Физика и философия // Вопр. философии. 1990. № 1, С. 25.

См.: Nagel E. The structure of science. New York, 1961; Tisza L. The logical Structure of Physics // Boston Studies the Philosophy of Science. Dordrecht, 1965; Бунге М. Философия физики. М., 1975.

Коноплева Н.П. О структуре физических теорий // Теоретико–групповые методы в физике: Труды международного семинара. Звенигород, 28–30 ноября 1979. Т. 1. М., 1980. С. 340.

См.: Странные аттракторы. М., 1981.

Вигнер Е. Этюды о симметрии. М., 1971. С. 36.

См.: Кулаков Ю.И. Элементы теории физических структур (дополнение Г.Г.Михайличенко). Новосибирск. 1968; его же. Структура и единая физическая картина мира // Вопр. философии. 1975, № 2.

См.: Зайцев Г.А. Алгебраические проблемы математической и теоретической физики. М., 1974; его же. Алгебраические структуры физики // Физическая теория. М., 1980.

См.: Илларионов С.В. О некоторых тенденциях в современных исследованиях по методологии теоретической физики // Физическая теория. М., 1980.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Физические теории
Рубрика (тематическая категория)	Математика

Пространственно-временная область изучаемых физикой объектов

Все физические явления происходят в пространстве и во времени. Пространственно-временные масштабы изучаемых физикой объектов, чьи размеры и характерные промежутки времени от самых больших до самых малых доступны для наблюдения современными физическими методами, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Из таблицы видно, что размеры самих больших и самых маленьких объектов изучения меняются от галактических до внутриядерных, отличаясь в 10 44 раз. Большие объекты и происходящие в них явления называются макроскопическими , малые – соответственно микроскопическими . Границей между ними служит размер атома, имеющий порядок 10 -10 м. Это очень важная для физики пространственная характеристика. Самые протяженные и самые короткие промежутки времени различаются в 10 29 раз. Явления макро- и микромира также различаются продолжительностью происходящих в них процессов.

Естественным масштабом скорости является скорость света в вакууме с =3 . 10 8 м/с. Ее фундаментальное значение состоит по сути в том, что это предельная скорость движения любых физических объектов. Ни частицы, ни поля не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это фундаментальный закон природы, ᴛ.ᴇ. закон, основанный на опытных фактах. Скорость света в вакууме с =3 . 10 8 м/с также является весьма важной физической характеристикой, разделяющей два вида движения. Движение со скоростью v<

Физическая теория, отражающая определœенный объём знаний о мире, имеет определœенную область применимости. Ее границы уточняются по мере накопления новых знаний. Их появление приводит к формированию новой физической теории, которая не отменяет предыдущую, а четко обозначает ее границы применимости и включает ее в новую теорию как частный случай. Уравнения новой теории в определœенном предельном переходе превращаются в уравнения предыдущей теории. Это утверждение принято называть принципом соответствия.

Все современные физические знания можно разделить на две теории: классическую и квантовую. Количественной границей между ними является фундаментальная физическая константа – постоянная Планка h =6,625 . 10 -34 Дж. с. Она принято называть квантом действия, так как ее размерность соответствует произведению массы на скорость и на длину: mvr , где m- масса частицы, v – скорость ее движения, r – линœейные размеры области движения. Частица принято называть классической и подчиняется законам классической физики, в случае если mvr >>h . Частица принято называть квантовой и подчиняется законам квантовой физики при выполнении условия mvr ³h. Для классической частицы описывающие ее величины, имеющие размерность кванта действия, выражаются числами, по сравнению с которыми численное значение постоянной Планка столь мало, что им можно пренебречь и считать равным нулю. В случае если в квантовых уравнениях численное значение постоянной Планка принять равным нулю, то эти уравнения приобретают вид аналогичных им классических.

Каждая теория – классическая и квантовая подразделяются исходя из скорости движения изучаемых объектов на нерелятивистскую (v <<c) и релятивистскую (v ≤c ). Стоит сказать, что для них выполняется тот же принцип соответствия. Релятивистские уравнения в предельном случае v <<c , когда можно принять v/c =0, превращаются в свои нерелятивистские аналоги.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в современной физике можно выделить четыре теории: I – классическая нерелятивистская, опирающаяся на законы Ньютона; II - классическая релятивистская, являющаяся теорией относительности Эйнштейна; Ш – квантовая нерелятивистская, выражением которой является уравнение Шредингера; IV – квантовая релятивистская, выражаемая уравнением Дирака. Схематически это выглядит так:

Все поле схемы условно представляет собой область применимости физических теорий, разделœенную на четыре части. Стрелки на схеме указывают ту область, которая содержится как частный случай в области применимости той теории, на обозначении поля которой находится стрелка. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, раздел IV является самой полной физической теорией, применимой для любых классических и квантовых движений. Уравнения этого раздела физики одинаково успешно справятся с расчетом устройств как для наисовременнейших научных исследований (ускорителя заряженных частиц), так и с расчетом любого давно вошедшего в обиход технического устройства, к примеру, автомобиля. При этом применение этих уравнений для расчета автомобиля нецелœесообразно, так как их освоение требует значительно большего запаса базовых физико-математических знаний, а значит, и времени, нежели освоение раздела I –классической нерелятивистской физики. Инженерные задачи чаще всœего связаны с классическим нерелятивистским движением, в связи с этим наиболее подробно в технических вузах изучают именно данный раздел физики. Изучение прочих разделов скорее носит ознакомительный характер.
Размещено на реф.рф
При этом, в современной технике используется немало физических явлений и материалов (к примеру, фотоэффект, полупроводники), чей физический механизм объясняет квантовая физика.