В физике существует некоторое количество, казалось бы, простых, но фундаментальных понятий, которые, однако, не так-то просто сразу понять. К ним относятся пространство, время и вот теперь другое фундаментальное понятие - поле. В механике дискретных объектов, механике Галилея, Ньютона, Декарта и других представителей физического классицизма, все они были согласны с тем, что силы взаимодействия между дискретными объектами вызывают изменение параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса), меняют их энергию, совершают работу и т.д. И это в общем-то было наглядно и понятно.

Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут и без непосредственного контакта. В этом случае физика переходит от концепции близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к введению понятия поля.

Формальное определение этого понятия звучит так: физическим полем называется особая форма материи, связывающая частицы (объекты) вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие.

Однако физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и вводили для объяснения различных явлений такие модели как электрическую и магнитную "жидкость", для распространения колебаний использовали представление о механических колебаниях частичек среды - модели эфира, оптических флюидов, теплорода, флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения, и даже биологи вводили "жизненную силу" для объяснения процессов в живых организмах.

Все это можно охарактеризовать, как попытки описать передачу действия через материальную ("механическую") среду.

Однако работами Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Так что же такое поле?

Для более предметного понимания этого феномена лучше всего воспользоваться неким абстрактным представлением: поле - это любая физическая величина, которая в разных точках пространства принимает различные значения, надо просто рассматривать поле как математические функции координат и времени какого-то параметра, описывающего явление или эффект.

Пользуясь двумя понятиями потока и циркуляции, можно прийти к знаменитым четырем уравнениям Максвелла, которые описывают практически все законы электричества и магнетизма именно через представление полей. Там, правда, используются еще два понятия: дивергенция - расхождение (например, того же потока в пространстве), описывающая меру источника, и ротор - вихрь. Из этих уравнений вытекает, что электрическое и магнитное поля связаны друг с другом, образуя единое электромагнитное поле, в котором распространяются электромагнитные волны, со скоростью, равной скорости света c = 3 • 108 м/с. Отсюда, кстати, и был сделан вывод об электромагнитной природе света.

Уравнения Максвелла являются математическим описанием экспериментальных законов электричества и магнетизма, установленных ранее многими учеными и во многом - Фарадеем, про которого говорили, что он не успевает записывать то, что открывает.

Надо заметить, что Фарадей сформулировал идеи поля, как новой формы существования материи, не только на качественном, но и количественном уровне. Любопытно, что свои научные записи он запечатал в конверт, просив вскрыть его после смерти. Это было сделано, однако, лишь в 1938 г. Поэтому справедливо считать теорию электромагнитного поля теорией Фарадея - Максвелла. Поскольку все тела в микро- и макромире являются так или иначе заряженными, то теория Фарадея - Максвелла приобретает поистине универсальный характер. В рамках ее описываются и объясняются движение и взаимодействие заряженных частиц при наличии магнитного и электрического полей.

Возвращаясь к общему понятию поля как некоторого распределения соответствующих величин или параметров в пространстве и времени, можно считать, что такое понятие применительно ко многим явлениям не только в природе, но и в экономике или социуме при использовании соответствующих физических моделей. Необходимо только в каждом случае убеждаться -обнаруживает ли выбранная физическая величина или ее аналог такие свойства, чтобы описание ее с помощью модели поля оказалось полезным. Заметим, что непрерывность величин, описывающих поле, является одной из основных параметров поля и позволяет использовать соответствующий математический аппарат.

Так, после механической картины сформировалась новая к тому времени электромагнитная картина мира. Ее можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной.

Отметим некоторые общие характеристики этой парадигмы. Поскольку она включает не только представления о полях, но и появившиеся к тому времени новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в периодической системе Менделеева и ряд других результатов по пути познания природы, то, конечно, в эту концепцию вошли также идеи квантовой механики и теории относительности.

Главным в таком представлении является возможность описать как можно большее количество явлений на основе именно понятия поля.

Было установлено, в отличие от механической картины, что материя существует не только в виде вещества, но и поля. Электромагнитное взаимодействие на основе волновых представлений хорошо описывает не только электрические и магнитные поля, но и оптические, химические, тепловые и механические явления. Методология полевого представления материи может быть использована и для понимания полей иной природы. Сделаны попытки увязать корпускулярную природу микрообъектов с волновой природой процессов. Было установлено, что "переносчиком" взаимодействия электромагнитного поля является фотон, который подчиняется уже законам квантовой механики. Делаются попытки найти гравитон, как носитель гравитационного поля.

Однако несмотря на существенное продвижение вперед в познании окружающего нас мира, электромагнитная картина все же была не свободна от недостатков. Так, например, в ней не рассматривались вероятностные подходы, и более того, по существу, вероятностные закономерности и вовсе не признавались как фундаментальные, сохранялся детерминистический подход Ньютона к описанию отдельных частиц и жесткая однозначность причинно-следственных связей

В целом такое положение понятно и объяснимо, так как каждое проникновение в природу вещей лишь углубляет наши представления и требует с каждым следующим шагом по пути постижения природы вещей создания новых адекватных физических моделей.

3. Современная космологическая естественно-научная картина

мира

Современное существование естествознания в ее фундаментальных основаниях не может быть ограничено лишь знанием закономерностей макро- и микро- миров. Если микромир есть своего рода "стартовая площадка" для "разгона" современной физики, то мегамир есть действительный "полигон" для развертывания этих закономерностей. В этой связи основополагающей системой представлений в качестве общепризнанной выступает так называемая теория Большого взрыва (Big Beng).

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 10 миллиардов лет тому назад, когда все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует модели "Горячей Вселенной".

Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 г. нашим соотечественником, физиком Георгием Гамовым. В свое время Г. Гамов, блестящий теоретик (учился в ЛГУ вместе с Л. Ландау, Н. Козыревым), до Великой Отечественной войны был самым молодым членом-корреспондентом АН СССР, затем эмигрировал на Запад и в связи с этим обстоятельством научные достижения замалчивались советской официальной наукой.

Вместе с тем, нельзя не отметить, что именно Г. Гамову принадлежат по крайней мере три научных результата "нобелевского ранга": упомянутая выше модель Большого Взрыва, предсказание температуры реликтового излучения и генетического кода ДНК. Кроме того он был отличным популяризатором науки и опубликовал более 20 прекрасных научных книг.

В основе концепции Большого Взрыва лежит положение о наличии некоторого первоначального "сгустка" "первовещества", обладающего колоссальной первоначальной энергией, который, собственно, и "взорвался".

Однако Г.Гамов не прояснял, как именно этот сгусток образовался, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии. Наличие этого сгустка и этой энергии Г.Гамов принял постулативно. К числу этих постулатов относилось и то обстоятельство, что именно огромное радиационное давление внутри этого сгустка и привело в конечном счете к необычайно быстрому его расширению, именно - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка, разлетевшиеся с максимальными относительными скоростями, теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас, и мы наблюдаем их сейчас такими, какие они были примерно 2·109 лет тому назад.

Таким образом, факт расширения Вселенной оказывается естественным следствием именно этого Большого Взрыва. Заметим в этой связи, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Гамов теоретически предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но в результате их могло быть образование лишь гелия.

Спектр гелия наблюдался в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента от греческого Гелиос - Солнце.

Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода - (60%) и гелия (20%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в самих звездах, остальное же их количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном же пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом теория Большого Взрыва хорошо согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Вместе с тем существуют вполне определенные гипотезы объяснения образования вышеупомянутого сгустка. В этой связи предполагается, что вышеназванные межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим также, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике - 1 атом/см3, однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5