Актуальные вопросы физики. Проблемы физики

Реферат

по физике

на тему:

Начнем с проблемы, которая привлекает сейчас наибольшее внимание физиков, над которой, пожалуй, работает наибольшее количество исследователей и исследовательских лабораторий во всем мире, – это проблема атомного ядра и, в частности, как наиболее актуальная и важная ее часть – так называемая проблема урана.

Удалось установить, что атомы тол состоят 113сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного некоторым числом электронов. Положительный заряд ядра и отрицательные заряды окружающих его электронов компенсируют друг друга. В целом атом кажется нейтральным.

С 1913 почти до 1930 г. физики изучали самым тщательным образом свойства и внешние проявления той атмосферы электронов, которые окружают атомное ядро. Эти исследования привели к единой цельной теории, обнаружившей новые законы движения электронов в атоме, ранее нам неизвестные. Эта теория получила название квантовой, или волновой, теории материи. К ней мы еще вернемся.

Примерно с 1930 г. основное внимание было направлено на атомное ядро. Ядро нас особенно интересует, потому что в нем сосредоточена почти вся масса атома. А масса есть мера того запаса энергии, которой обладает данная система.

Каждый грамм любого вещества заключает в себе точно известную энергию и притом весьма значительную. Так, например, в стакане чаю, который весит примерно 200 г., заключено количество энергии, для получения которой нужно было бы сжечь около миллиона тонн угля.

Эта энергия находится именно в атомном ядре, потому что 0.999 всей энергии, всей массы тела заключает в себе ядра и только меньше 0.001 всей массы может быть отнесено к энергии электронов. Колоссальные запасы энергии, находящиеся в ядрах, несравнимы ни с какойформой энергии, какую мы знали до сих пор.

Естественно, заманчива надежда обладать этой энергией. Но для этого сначала нужно изучить ее, а затем найти пути для ее использования.

Но, кроме того, ядро интересует нас и по другим причинам. Ядро атома целиком определяет всю природу его, определяет его химические свойства и его индивидуальность.

Если железо отличается от меди, от углерода, от свинца, то различие это лежит именно в атомных ядрах, а не в электронах. Электроны у всех тел одни и те же, и любой атом может потерять часть своих электронов вплоть до того, что могут быть сорваны все электроны с атома. Пока цело и неизменно атомное ядро со своим положительным зарядом, оно всегда притянет к себе столько электронов, сколько необходимо для компенсации его заряда. Если в ядре серебра 47 зарядов, то оно всегда присоединит к себе 47 электронов. Поэтому, пока целю ядро, мы имеем дело с тем же самым элементом, с тем же самым веществом. Стоит изменить ядро, как из одного химического элемента получается другой. Только тогда осуществилась бы давняя и давно уже за безнадежностью оставленная мечта алхимии – превращения одних элементов в другие. На современном этапе истории эта мечта осуществилась, не совсем в тех формах и не теми результатами, которые ожидались алхимиками.

Что мы знаем об атомном ядре? Ядро в свою очередь состоит из еще более мелких составных частей. Эти составные части представляют собой простейшие известные нам в природе ядра.

Самое легкое и потому самое простое ядро – это ядро атома водорода. Водород – первый элемент периодической системы с атомным весом около 1. Ядро водорода входит в состав всех других ядер. Но, с другой стороны, легко видеть, что все ядра не могут состоять только из водородных ядер, как давно, уже более 100 лет назад, предполагал Проут.

Ядра атомов обладают определенной массой, которая дается атомным весом, и определенным зарядом. Заряд ядра задает тот номер, который данный элемент занимает в периодической системе Менделеева.

Водород в этой системе – первый элемент: у пего один положительный заряд и один электрон. Второй по порядку элемент имеет ядро с двойным зарядом, третий – с тройным и т.д. вплоть до самого последнего и самого тяжелого из всех элементов – урана, ядро которого имеет 92 положительных заряда.

Менделеев, систематизируя громадный опытный материал в области химии, создал периодическую систему. Он, конечно, не подозревал в то время о существовании ядер, но не думал, что порядок элементов в созданной им системе определяется просто зарядом ядра и ничем больше. Оказывается, что эти две характеристики атомных ядер – атомный вес и заряд – не соответствуют тому, что мы могли бы ожидать, исходя из гипотезы Проута.

Так, второй элемент – гелий имеет атомный вес 4. Если он состоит из 4 ядер водорода, то и заряд его должен был бы быть 4, а между тем заряд его 2, потому что это второй элемент. Таким образом, нужно думать, что в гелии всего 2 ядра водорода. Ядра водорода мы называем протонами. Но у кроме того, в ядре гелия есть еще 2 единицы массы, которые заряда не имеют. Вторую составную часть ядра приходится считать незаряженным ядром водорода. Приходится различать ядра водорода, обладающие зарядом, или протоны, и ядра, не обладающие совсем электрическим зарядом, нейтральные, их мы называем нейтронами.

Все ядра состоят из протонов и нейтронов. В гелии 2 протона и 2 нейтрона. В азоте 7 протонов и 7 нейтронов. В кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, в углероде С протонов и 6 нейтронов.

Но дальше эта простота несколько нарушается, число нейтронов становится все больше и больше но сравнению с числом протонов, и в самом последнем элементе – уране имеется 92 заряда, 92 протона, а атомный вес его 238. Следовательно, к 92 протонам прибавлено еще 146 нейтронов.

Конечно, нельзя думать, что то, что мы знаем в 1940 г., есть уже исчерпывающее отображение реального мира и многообразие заканчивается на этих частицах, которые являются элементарными в буквальном смысле слова. Понятие элементарности означает только определенный этап в нашем проникновении в глубь природы. На данном этапе мы знаем, однако, состав атома лишь вплоть до этих элементов.

Эта простая картина па самом деле была выяснена не так легко. Пришлось преодолеть целый ряд затруднений, целый ряд противоречий, которые и момент своего выявления казались безвыходными, но которые, как всегда в истории науки, оказались только различными сторонами более общей картины, представлявшей собою синтез того, что казалось противоречием, и мы переходили к следующему, более глубокому пониманию проблемы.

Важнейшим из этих затруднений оказалось следующее: в самом начале нашего столетия было уже известно, что из недр радиоактивных атомов (о ядре тогда еще не подозревали) вылетают б-частицы (они оказались ядрами гелия) и в-частицы (электроны). Казалось, то, что вылетает из атома, это и есть то, из чего он состоит. Следовательно, казалось, ядра атомов состоят из ядер гелия и электронов.

Ошибочность первой части этого утверждения ясна: очевидно, что невозможно составить ядро водорода из вчетверо более тяжелых ядер гелия: часть не может быть больше целого.

Оказалась неверной и вторая часть этого утверждения. Электроны действительно вылетают при ядерных процессах, и тем не менее электронов в ядрах нет. Казалось бы, здесь – логическое противоречие. Так ли это?

Мы знаем, что атомы испускают свет, световые кванты (фотоны).

Что же эти фотоны запасены в атоме в виде света и ждут момента для вылета? Очевидно, нет. Мы понимаем испускание света таким образом, что электрические заряды в атоме, переходя из одного состояния в другое, освобождают некоторое количество энергии, которая переходит в форму лучистой энергии, распространяющейся в пространстве.

Аналогичные соображения можно высказать и относительно электрона. Электрон по целому ряду соображений не может находиться в атомном ядре. Но он не может и создаваться в ядре, как фотон, потому что обладает отрицательным электрическим зарядом. Твердо установлено, что электрический заряд так же, как и энергия и материя в целом, остается неизменным; общее количество электричества нигде не создается и нигде не исчезает. Следовательно, если уносится отрицательный заряд, то ядро получает равный ему положительный заряд. Процесс испускания электронов сопровождается изменением заряда ядра. Но ядро состоитиз протопоп и нейтронов, значит, один из незаряженные нейтронов превратился в положительно заряженный протон.

Отдельный отрицательный электрон не может ни возникнуть, ни исчезнуть. Но два противоположных заряда могут при достаточном сближении взаимно скомпенсировать друг друга или даже совсем исчезнуть, выделив свой запас энергии в виде лучистой энергии (фотонов).

Какие же это положительные заряды? Удалось установить, что, кроме отрицательных электронов, в природе наблюдаются и могут быть созданы средствами лабораторий и техники положительные заряды, которые по всем своим свойствам: по массе, по величине заряда вполне соответствуют электронам, но только имеют положительный заряд. Такой заряд мы называем позитроном.

Таким образом, мы различаем электроны (отрицательные) и позитроны (положительные), отличающиеся только противоположным знаком заряда. Вблизи ядер могут происходить как процессы соединения позитронов с электронами, так и расщепления на электрон и позитрон, причем электрон уходит из атома, а позитрон входит в ядро, превращая нейтрон в протон. Одновременно с электроном уходит и незаряженная частица – нейтрино.

Наблюдаются и такие процессы в ядре, при которых электрон передает свой заряд ядру, превращая протон в нейтрон, а позитрон вылетает из атома. Когда из атома вылетает электрон, заряд ядра увеличивается на единицу; когда вылетает позитрон или протон, заряд и номер в периодической системе уменьшается на одну единицу.

Все ядра построены из заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Спрашивается, какими силами они сдерживаются в атомном ядре, что их связывает между собой, что определяет построение различных атомных ядер из этих элементов?

Проблемы физики

Какова природа света?

Свет в некоторых случаях ведет себя подобно волне, а во многих других - сродни частице. Спрашивается: что же он такое? Ни то, ни другое. Частица и волна - лишь упрощенное представление о поведении света. На самом же деле свет не частица и не волна. Свет оказывается сложнее того образа, что рисуют эти упрощенные представления.

Каковы условия внутри черных дыр?

Черные дыры, рассматриваемые в гл. 1 и 6, обычно представляют собой сжимающиеся ядра больших звезд, переживших взрыв в виде сверхновой. У них такая огромная плотность, что даже свет не в состоянии покинуть их недра. Ввиду огромного внутреннего сжатия черных дыр к ним неприменимы обычные законы физики. А поскольку ничто не может покинуть черных дыр, недоступно и проведение каких-либо опытов для проверки тех или иных теорий.

Сколько измерений присуще Вселенной и можно ли создать «теорию всего сущего»?

Как говорилось в гл. 2, пытающиеся потеснить стандартную модель теории, возможно, в итоге прояснят число измерений, а также преподнесут нам «теорию всего сущего». Но пусть вас не вводит в заблуждение название. Если «теория всего сущего» и даст ключ к пониманию природы элементарных частиц, внушительный список нерешенных проблем - залог того, что подобная теория оставит без ответа еще много важных вопросов. Подобно слухам о смерти Марка Твена, слухи о кончине науки с приходом «теории всего сущего» слишком преувеличены.

Возможно ли путешествие во времени?

Теоретически общая теория относительности Эйнштейна допускает такое путешествие. Однако нужное при этом воздействие на черные дыры и их теоретических собратьев, «кротовые норы», потребует огромных затрат энергии, значительно превосходящих наши нынешние технические возможности. Толковое описание путешествия во времени дается в книгах Митио Каку Гиперпространство (1994) и Образы (1997) и на сайтеhttp://mkaku. org

Удастся ли обнаружить гравитационные волны?

Некоторые обсерватории заняты поиском свидетельств существования гравитационных волн. Если такие волны удастся найти, данные колебания самой пространственно-временной структуры будут указывать на происходящие во Вселенной катаклизмы вроде взрыва сверхновых, столкновений черных дыр, а возможно, еще неведомых событий. За подробностями обращайтесь к статье У. Уэйта Гиббса «Пространственно-временная рябь».

Каково время жизни протона?

Некоторые теории, не укладывающиеся в рамки стандартной модели (см. гл. 2), предсказывают распад протона, и для обнаружения такого распада было сооружено несколько детекторов. Хотя самого распада пока не наблюдалось, нижняя граница периода полураспада у протона оценивается величиной 10 32 лет (значительно превышающей возраст Вселенной). С появлением более чувствительных датчиков, возможно, удастся обнаружить распад протона или же придется отодвинуть нижнюю границу периода его полураспада.

Возможны ли сверхпроводники при высокой температуре?

Сверхпроводимость появляется при падении у металла электрического сопротивления до нуля. В таких условиях установившийся в проводнике электрический ток течет без потерь, которые свойственны обычному току при прохождении в проводниках вроде медного провода. Явление сверхпроводимости впервые наблюдалось при крайне низкой температуре (чуть выше абсолютного нуля, - 273 °C). В 1986 году ученым удалось сделать сверхпроводящими материалы при температуре кипения жидкого азота (-196 °C), что уже допускало создание промышленных изделий. Механизм данного явления понят еще не до конца, но исследователи пытаются добиться сверхпроводимости при комнатной температуре, что позволит уменьшить потери электроэнергии.

Из книги Занимательно об астрономии автора Томилин Анатолий Николаевич

5. Проблемы релятивистской астронавигации Одним из самых противных испытаний, которым подвергается летчик, а сейчас космонавт, как это показывают в кино, является карусель. Мы, летчики недавнего прошлого, в свое время называли ее «вертушкой» или «сепаратором». Тех, кто не

Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс Артур

Нерешенные проблемы Теперь, уяснив, как наука вписывается в умственную деятельность человека и как она функционирует, можно видеть, что ее открытость позволяет различными путями идти к более полному постижению Вселенной. Возникают новые явления, по поводу которых

Из книги Мир в ореховой скорлупке [илл. книга-журнал] автора Хокинг Стивен Уильям

Проблемы химии Как состав молекулы определяет ее облик?Знание орбитального строения атомов в простых молекулах позволяет довольно легко определить внешний вид молекулы. Однако теоретические исследования облика сложных молекул, особенно биологически важных, пока не

Из книги История лазера автора Бертолотти Марио

Проблемы биологии Как развивается целый организм из одной оплодотворенной яйцеклетки?На данный вопрос, похоже, удастся ответить, как только будет решена главная задача из гл. 4: каково устроение и предназначение протеома? Конечно, каждому организму свойственны свои

Из книги Атомная проблема автора Рэн Филипп

Проблемы геологии Что вызывает большие перемены в климате Земли наподобие повсеместного потепления и ледниковых периодов?Ледниковые периоды, свойственные Земле последние 35 млн. лет, наступали примерно каждые 100 тыс. лет. Ледники надвигаются и отступают по всему

Из книги Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра автора Шустов Борис Михайлович

Проблемы астрономии Одиноки ли мы во Вселенной?Несмотря на отсутствие каких-либо экспериментальных свидетельств существования внеземной жизни, теорий на этот счет хватает с избытком, как и попыток обнаружить весточки от далеких цивилизаций.Как эволюционируют

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

Нерешённые проблемы современной физики

Из книги Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] автора Петров Александр Николаевич

Теоретические проблемы Вставка из Википедии.Psychedelic - август 2013Ниже приведён список нерешённых проблем современной физики. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые

Из книги Вечное движение. История одной навязчивой идеи автора Орд-Хьюм Артур

ГЛАВА 14 РЕШЕНИЕ В ПОИСКЕ ПРОБЛЕМЫ ИЛИ МНОГИЕ ПРОБЛЕМЫ С ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ РЕШЕНИЕМ? ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В 1898 г. г. Уэллс вообразил в своей книге «Война миров» захват Земли марсианами, которые использовали лучи смерти, способные без труда проходить через кирпичи, сжигать леса, и

Из книги Идеальная теория [Битва за общую теорию относительности] автора Феррейра Педро

II. Социальная сторона проблемы Эта сторона проблемы является, без сомнения, самой важной и самой интересной. Ввиду ее большой сложности мы ограничимся здесь лишь самыми общими соображениями.1. Изменения в мировой экономической географии.Как мы видели выше, стоимость

Из книги автора

1.2. Астрономический аспект проблемы АКО Вопрос об оценках значимости астероидно-кометной опасности связан, в первую очередь, с нашим знанием о населенности Солнечной системы малыми телами, особенно теми, что могут столкнуться с Землей. Такие знания дает астрономия.

Из книги автора

Новые проблемы космологии Вернемся к парадоксам нерелятивистской космологии. Вспомним, что причина гравитационного парадокса в том, что для однозначного определения гравитационного воздействия либо недостаточно уравнений, либо нет возможности корректно задать

Из книги автора

Глава 9. Проблемы унификации В 1947 году только что окончивший аспирантуру Брайс Девитт встретился с Вольфгангом Паули и рассказал, что работает над квантованием гравитационного поля. Девитт не понимал, почему две великие концепции XX века - квантовая физика и общая теория

Любая физическая теория, которая противоречит

существованию человека, очевидно неверна.

П. Девис

Что нам требуется, так это дарвиновский взгляд на физику, эволюционный взгляд на физику, биологический взгляд на физику.

И. Пригожин

До 1984 г. большинство учёных верили в теорию суперсимметрии (супергравитации, суперсилы) . Суть её в том, что все частицы (частицы вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) – разные виды одной “суперчастицы”.

Эта “суперчастица” или “суперсила” с понижением энергии предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия, как электромагнитная и гравитационная силы. Но сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории (нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере заняла бы более 4 лет. С. Вайнберг считает, что физика вступает в эру, когда эксперименты уже не в состоянии пролить свет на фундаментальные проблемы (Девис 1989; Хокинг 1990: 134; Налимов 1993: 16).

В 80-х гг. становится популярной струнная теория . Под редакцией П. Девиса и Дж. Брауна в 1989 г. выходит книга с характерным названием Сверхструны: теория всего ? Согласно теории, микрочастицы – не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и открытостью. Частицы – волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке. Испускание частицы – соединение, поглощение частицы-переносчика – разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне (Хокинг 1990: 134-137).

Теория квантового поля поместила наши размышления о природе материи в новый контекст, разрешила проблему пустоты. Она заставила нас перевести взгляд с того, что “можно увидеть”, то есть частиц, на невидимое, то есть поле. Присутствие материи есть всего лишь возбуждённое состояние поля в данной точке. Придя к понятию квантового поля, физика нашла ответ на старый вопрос о том, из чего же состоит вещество – из атомов или континуума, лежащего в основе всего. Поле есть континуум, пронизывающий всё Пр, который, тем не менее, имеет протяжённую, как бы “гранулярную”, структуру в одном из своих проявлений, то есть в форме частиц. Теория квантового поля современной физики изменила представления о силах, помогает в решении проблем сингулярности и пустоты:

в субатомной физике нет сил, действующих на расстоянии, их заменяют взаимодействия между частицами, происходящие через посредство полей, то есть других частиц, не сила, а взаимодействие;

необходимо отказаться от противопоставления “материальные” частицы – пустота; частицы связаны с Пр и не могут рассматриваться в отрыве от него; частицы оказывают влияние на структуру Пр, они являются не самостоятельными частицами, а, скорее сгустками в беспредельном поле, пронизывающем всё Пр;

наша Вселенная рождается из сингулярности, вакуумной неустойчивости;

поле существует всегда и везде: оно не может исчезнуть. Поле есть проводник для всех материальных явлений. Это “пустота”, из которой протон создаёт π-мезоны. Возникновение и исчезновение частиц – лишь формы движения поля. Теория поля утверждает, что рождение частиц из вакуума и превращение частиц в вакуум происходят постоянно . Большинство физиков считают открытие динамической сущности и самоорганизации вакуума одним из важнейших достижений современной физики (Капра 1994: 191-201).

Но есть и нерешённые проблемы: обнаружено сверхточное самосогласование вакуумных структур, через которые выражаются параметры микро-частиц. Вакуумные структуры должны быть согласованы с точностью до 55-ого знака после запятой. За этой самоорганизацией вакуума стоят неизвестные нам законы нового типа. Антропный принцип 35 и есть следствие этой самоорганизации, суперсилы.

Теория S-матрицы описывает адроны, ключевое понятие теории было предложено В. Гейзенбергом, на этой основе учёные построили математическую модель для описания сильных взаимодействий. S-матрица получила своё название потому, что всю совокупность адронных реакций представили в виде бесконечной последовательности ячеек, которая в математике называется матрицей. Буква “S” сохранилась от полного названия этой матрицы – матрица рассеивания (scattering) (Капра 1994: 232-233).

Важным нововведением этой теории является то, что она переносит акценты с объектов на события, исследуются не частицы, а реакции частиц. По Гейзенбергу, мир делится не на различные группы объектов, а на различные группы взаимопревращений. Все частицы понимаются как промежуточные стадии в сети реакций. Например, нейтрон оказывается звеном в огромной сети взаимодействий, сети “переплетения событий”. Взаимодействия в такой сети не могут быть определены со стопроцентной точностью. Им можно приписать только вероятностные характеристики.

В динамическом контексте нейтрон может рассматриваться в качестве “связанного состояния” протона (р) и пиона (), из которых он образовался, а также в качестве связанного состояния частиц  и , которые образуются в результате его распада. Адронные реакции представляют собой поток энергии, в котором возникают и “исчезают” частицы (Капра 1994: 233-249).

Дальнейшее развитие теории S-матрицы привело к созданию бутстрэпной гипотезы , которую выдвинул Дж. Чу. Согласно гипотезе бутстрэпа, ни одно из свойств любого участка Вселенной не имеет фундаментального характера, все они обусловлены свойствами остальных участков сети, общая структура которой определяется универсальной согласованностью всех взаимосвязей.

Эта теория отрицает фундаментальные сущности (“кирпичики” материи, константы, законы, уравнения), Вселенная понимается как динамическая сеть взаимосвязанных событий.

В противоположность большинству физиков, Чу не мечтает о единственном решающем открытии, он видит свою задачу в медленном и постепенном создании сети взаимосвязанных понятий, ни одно из которых не является более фундаментальным, чем другие. В бутстрэпной теории частиц нет непрерывного Пр-Вр. Физическая реальность описывается в терминах изолированных событий, причинно связанных, но не вписанных в непрерывное Пр-Вр. Гипотеза бутстрэпа настолько чужда традиционному мышлению, что принимается меньшинством физиков. Большинство ищут фундаментальные составляющие материи (Капра 1994: 258-277, 1996: 55-57).

Теории атомной и субатомной физики выявили принципиальную взаимосвязанность различных аспектов существования материи, обнаружив, что энергия может переходить в массу, и, предположив, что частицы представляют собой скорее процессы, чем объекты.

Хотя поиск элементарных составляющих материи продолжается до сих пор, в физике представлено другое направление, исходящее из того, что строение мироздания нельзя сводить к каким-либо фундаментальным, элементарным, конечным единицам (фундаментальные поля, “элементарные” частицы). Природу следует понимать в самосогласованности. Эта идея возникла в русле теории S-матрицы, а в дальнейшем легла в основу гипотезы бутстрэпа (Налимов 1993: 41-42; Капра 1994: 258-259).

Чу надеялся осуществить синтез принципов квантовой теории, теории относительности (понятия макроскопического Пр-Вр), характеристик наблюдения и измерения на основе логической связности своей теории. Похожую программу разрабатывал Д. Бом и создал теорию имплицитного порядка . Он ввёл термин холодвижение , который используется для обозначения основы материальных сущностей и принимает во внимание как единство, так и движение. Начальной точкой для Бома является понятие “неделимой целостности”. Космической ткани присущ имплицитный, свёрнутый порядок, который можно описывать, пользуясь аналогией голограммы, в которой каждая часть содержит целое. Если осветить каждую часть голограммы, будет восстановлен весь образ. Некое подобие импликативного порядка свойственно и сознанию, и материи, поэтому он может способствовать связи между ними. В сознании, может быть, свёрнут весь материальный мир (Бом 1993: 11; Капра 1996: 56)!

Концепции Чу и Бома предполагают включение сознания в общую связь всего сущего. Доведённые до своего логического завершения, они предусматривают, что существование сознания, наряду с существованием всех остальных аспектов природы, необходимо для самосогласованности целого (Капра 1994: 259, 275).

Так философская проблема сознание–материя (проблема наблюдателя, проблема связи семантического и физического миров) становится серьёзной проблемой физики, “ускользая” от философов, об этом можно судить на основании:

возрождения идей панпсихизма при попытке объяснить поведение микрочастиц, Р. Фейнман пишет 36 , что частица “решает”, “пересматривает”, “обнюхивает”, “чует”, “идёт верным путём” (Фейнман и др. 1966: 109);

невозможности в квантовой механике разделить субъект и объект (В. Гейзенберг);

сильного антропного принципа в космологии, предполагающего сознательное сотворение жизни, человека (Д. Картер);

гипотез о слабых формах сознания, космическом сознании (Налимов 1993: 36-37, 61-64).

Физики пытаются включить сознание в картину физического мира. В книге П. Девиса, Дж. Брауна Дух в атоме говорится о роли процесса измерения в квантовой механике. Наблюдение мгновенно изменяет состояние квантовой системы. Изменение ментального состояния экспериментатора вступает в обратную связь с лабораторной аппаратурой и,  , с квантовой системой, изменяя её состояние. По Дж. Джинсу, природа и наш математически мыслящий ум работают по одним и тем же законам. В.В. Налимов находит параллели в описании двух миров, физического и семантического:

нераспакованный физический вакуум – возможность спонтанного рождения частиц;

нераспакованный семантический вакуум – возможность спонтанного рождения текстов;

распаковка вакуума есть рождение частиц и создание текстов (Налимов1993:54-61).

В.В. Налимов писал о проблеме раздробленности науки. Надо будет освободиться от локальности описания мироздания, при котором учёный оказывается озабоченным изучением некоего явления только в рамках своей узкой специальности. Существуют процессы, протекающие сходным образом на разных уровнях Универсума и нуждающиеся в едином, сквозном описании (Налимов 1993: 30).

Но пока современная физическая картина мира принципиально не завершена: самая сложная проблема физики – проблема объединения частных теорий, например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория гравитации не входит в теорию 3-х взаимодействий, в химии не учитывают строение ядра атома.

Не решена и проблема объединения в рамках одной теории 4 типов взаимодействий. До 30-х гг. считали, что существуют 2 типа сил на макроуровне – гравитационные и электромагнитные, но открыли слабое и сильное ядерные взаимодействия. Был открыт мир внутри протона и нейтрона (порог энергий выше, чем в центре звёзд). Будут ли открыты другие “элементарные” частицы?

Проблема объединения физических теорий связана с проблемой достижения высоких энергий . С помощью ускорителей вряд ли удастся возвести мост через пропасть планковской энергии (выше, чем 10 18 гига электрон-вольт) и того, что достигают сегодня в лаборатории в обозримом будущем.

В математических моделях теории супергравитации возникает проблема бесконечностей . В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы – старые философские вопросы: конечен или бесконечен мир в Пр-Вр? Если Вселенная расширяется из сингулярности планковских размеров, то куда она расширяется – в пустоту или происходит растяжение матрицы? Что окружало сингулярность – эту бесконечно маленькую точку до начала инфляции или наш мир “отпочковался” от Мегавселенной?

В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема многомерности Пр-Вр, например, электрон – это малая вибрирующая струна планковской длины в 6-мерном и даже в 27-мерном Пр. Существуют и другие теории, согласно которым наше Пр на самом деле не 3-мерно, а, например, 10-мерно. Предполагается, что во всех направлениях, кроме 3 (х, у, z), Пр как бы свёрнуто в очень тонкую трубочку, “скомпактифицировано”. Поэтому мы можем двигаться лишь в 3 разных, независимых направлениях и Пр представляется нам 3-мерными. Но почему, если есть иные меры, развернулись только 3 Пр и 1 Вр меры? С. Хокинг иллюстрирует путешествие в разных измерениях примером бублика: 2-мерный путь по поверхности бублика длиннее пути через третье, объёмное измерение (Линде 1987: 5; Хокинг 1990: 138).

Другой аспект проблемы многомерности – проблема иных, не одномерных для нас миров. Существуют ли параллельные Вселенные 37 , неодномерные нам, и, наконец, могут ли существовать иные, неодномерные для нас формы жизни, разума? Теория струн допускает существование иных миров во Вселенной, существование 10- или 26-мерное Пр-Вр. Но если существуют иные меры, почему мы их не замечаем?

В физике и во всей науке возникает проблема создания универсального языка : наши обычные понятия не могут быть применены к строению атома. На абстрактном искусственном языке физики, математики процессы, паттерны современной физики не описываются. Что означают такие характеристики частиц как “очарованный” или “странный” ароматы кварков или “шизоидные” частицы? Это один из выводов книги Дао физики Ф. Капры. Какой же выход: вернуться к агностицизму, восточной мистической философии?

Гейзенберг считал: математические схемы адекватнее отражают эксперимент, чем искусственный язык, обычные понятия не могут быть применены к строению атома, Борн писал о проблеме символов для отражения реальных процессов (Гейзенберг 1989: 104-117).

Может быть, попытаться вычислить базисную матрицу естественного языка (вещь – связь – свойство и атрибут), то, что будет инвариантно к любым артикуляциям и, не критикуя многообразие искусственных языков, попытаться “заставить” говорить на одном общем естественном языке? Стратегическая роль синергетики и философии в решении проблемы создания универсального языка науки рассматривается в статье Диалектическая философия и синергетика (Федорович 2001: 180-211).

Создание единой физической теории и теории УИ, единой Э человека и природы является предельно сложной задачей науки. Один из важнейших вопросов современной философии науки: предопределёно ли наше будущее и какова наша роль. Если мы часть природы, можем ли мы играть какую-то роль в формировании мира, который находится в процессе строительства?

Если Вселенная едина, то может ли существовать единая теория реальности? С. Хокинг рассматривает 3 варианта ответа.

Единая теория существует, и мы её когда-нибудь создадим. Так думал И. Ньютон; М. Борн в 1928 г. после открытия П. Дираком уравнения для электрона, написал: физика через полгода кончится.

Теории постоянно уточняются и совершенствуются. С позиций эволюционной эпистемологии, научный прогресс – совершенствование когнитивной компетенции вида Homo Sapiens (К. Халвег). Все научные понятия и теории – это лишь приближения к истинной природе реальности, значимые лишь для определённого диапазона явлений. Э научного знания есть последовательная смена моделей, но ни одна модель не окончательна.

До сих пор не решён парадокс эволюционной картины мира: нисходящее направление Э в физике и восходящая тенденция усложнения в биологии. Несовместимость физики и биологии обнаружилась в ХIХ в., сегодня наметилась возможность разрешения коллизии физика–биология: эволюционное рассмотрение Вселенной в целом, трансляция эволюционного подхода в физику (Стёпин, Кузнецова 1994: 197-198; Хазен 2000).

И. Пригожин, которого Э. Тоффлер в предисловии книги Порядок из хаоса назвал Ньютоном ХХ в., говорил в одном из интервью о необходимости ввести в физику идеи необратимости, истории. Классическая наука описывает стабильность, равновесие, но существует другой мир – нестабильный, эволюционный, нужны другие слова, другая терминология, которой не существовало во Вр Ньютона. Но даже после Ньютона и Эйнштейна у нас нет чёткой формулы сущности мира. Природа очень сложное явление и мы – неотъемлемая часть природы, часть Вселенной, которая находится в постоянном саморазвитии (Хорган 2001: 351).

Возможные перспективы развития физики следующие: завершение построения единой физической теории, описывающей 3-хмерный физический мир и проникновение в иные Пр-Вр измерения; изучение новых свойств материи, видов излучения, энергии и скоростей, превышающих скорость света (торсионное излучение) и открытие возможности мгновенного перемещения в Метагалактике (в ряде теоретических работ показана возможность существования топологических туннелей, соединяющих любые области Метагалактики, МВ); установление связи физический мир – семантический мир, что попытался сделать В.В. Налимов (Гиндилис 2001: 143-145).

Но главное, что предстоит сделать физикам: включить в свои теории эволюционную идею. В физике второй половины ХХ в. утверждается понимание сложности микро- и мегамиров. Изменяется и представление об Э физической Вселенной: нет существующего без возникающего . Д. Хорган приводит такие слова И. Пригожина: мы не отцы времени. Мы – дети времени. Мы появились в результате эволюции. То, что нам требуется сделать, – это включить эволюционные модели в наши описания. Что нам требуется, так это дарвиновский взгляд на физику, эволюционный взгляд на физику, биологический взгляд на физику (Пригожин 1985; Хорган 2001: 353).

Актуальные проблемы – значит важные для данного времени. Когда-то актуальность проблем физики была совсем иной. Решались вопросы типа «почему ночью становится темно», «почему дует ветер» или «почему вода мокрая». Давайте посмотрим, над чем ломают головы ученые в наши дни.

Несмотря на то, что мы можем все полнее и подробнее объяснить окружающий мир, вопросов со временем становится все больше. Ученые устремляют мысли и приборы в глубины Вселенной и дебри атомов, находя там такие вещи, которые пока не поддаются объяснению.

Нерешенные проблемы физики

Часть актуальных и нерешенных вопросов современной физики носит чисто теоретический характер. Некоторые проблемы теоретической физики просто невозможно проверить экспериментально. Еще одна часть – это вопросы, связанные с экспериментами.

Например, эксперимент не согласуется с ранее разработанной теорией. Существуют также прикладные задачи. Пример: экологические проблемы физики, связанные с поиском новых источников энергии. Наконец, четвертая группа – чисто философские проблемы современной науки, ищущие ответ на «главный вопрос смысла жизни, Вселенной и всего такого».

Темная энергия и будущее Вселенной

Согласно сегодняшним представлениям Вселенная расширяется. Причем по данным анализа реликтового излучения и излучения сверхновых, расширяется с ускорением. Расширения происходит за счет темной энергии. Темная энергия – это неопределенный вид энергии, который был введен в модель Вселенной для объяснения ускоренного расширения. Темная энергия не взаимодействует с материей известными нам способами, и ее природа – большая загадка. Есть два представления о темной энергии:

Согласно первому она заполняет Вселенную равномерно, то есть является космологической константой и имеет постоянную энергетическую плотность.
Согласно второму динамическая плотность темной энергии меняется в пространстве и времени.

В зависимости от того, какое из представлений о темной энергии верно, можно предположить дальнейшую судьбу Вселенной. Если плотность темной энергии растет, то нас ждет Большой разрыв , в котором вся материя развалится.

Еще один вариант – Большое сжатие , когда гравитационные силы победят, расширение остановится и сменится сжатием. При таком сценарии все, что было во Вселенной, сначала коллапсирует в отдельные черные дыры, а потом схлопнется в одну общую сингулярность.

Множество неразрешенных вопросов связано с черными дырами и их излучением. Читайте отдельную об этих загадочных объектах.

Материя и антиматерия

Все, что мы наблюдаем вокруг себя – материя , состоящая из частиц. Антиматерия – это вещество, состоящее из античастиц. Античастица – это двойник частицы. Единственное отличие частицы и античастицы – это заряд. Например, заряд электрона – отрицательный, тогда как его двойник из мира античастиц – позитрон – имеет такой же по величине положительный заряд. Получить античастицы можно в ускорителях частиц, однако никто не встречал их в природе.

При взаимодействии (столкновении) материя и антиматерия аннигилируют, в результате образуются фотоны. Почему во Вселенной преобладает именно вещество – большой вопрос современной физики. Предполагается, что эта асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого взрыва.

Ведь если бы вещества и антивещества было поровну, все частицы бы аннигилировали, оставив в результате только фотоны. Есть предположения, что дальние и совсем неизученные области Вселенной заполнены антивеществом. Но так ли это, еще предстоит выяснить, проведя огромную мозговую работу.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Теория всего

Есть ли теория, которая может объяснить абсолютно все физические явления на элементарном уровне? Наверное, есть. Другой вопрос - можем ли мы до нее додуматься. Теория всего , или Теория Великого объединения – это теория, которая объясняет значения всех известных физических констант и объединяет 5 фундаментальных взаимодействий:

сильное взаимодействие;
слабое взаимодействие;
электромагнитное взаимодействие;
гравитационное взаимодействие;
поле Хиггса.

Кстати, о том, что такое и почему он так важен, вы можете почитать в нашем блоге.

Среди множества предложенных теорий всего ни одна не прошла экспериментальную проверку. Одним из самых перспективных направлений в этом вопросе является объединение квантовой механики и общей теории относительности в теорию квантовой гравитации . Однако данные теории имеют разные области применения, и пока что все попытки их объединения приводят к расходимости, которую не удается убрать.

Сколько существует измерений?

Мы привыкли к трехмерному миру. Можем двигаться в известных нам трех измерениях вперед-назад, вверх и вниз, чувствуя себя комфортно. Однако существует M-теория , согласно которой есть аж 11 измерений, лишь 3 из которых доступны нам.

Представить это достаточно сложно, если не невозможно. Правда, для таких случаев существует математический аппарат, который помогает справиться с проблемой. Чтобы не взорвать мозг себе и вам, мы не будем приводить математические выкладки из М-теории. Лучше приведем цитату физика Стивена Хокинга:

Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными.

Что говорить о далеком космосе, когда знаем далеко не все о нашем родном доме. Например, до сих пор нет четкого объяснения происхождению и периодической инверсии его полюсов.

Загадок и задач очень много. Такие же нерешенные задачи есть и в химии, астрономии, биологии, математике, философии. Разгадывая одну тайну, мы получаем две взамен. В этом и есть радость познания. Напомним, что с любой задачей, какой бы она не была сложной, вам помогут справиться . Проблемы обучения физике, как и любой другой науке, решаются гораздо легче, чем фундаментальные научные вопросы.

Ниже мы приведем список нерешенных проблем современной физики.

Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты.

Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов.

Каким будет конец Вселенной?

Разгадка во многом зависит от тёмной энергии, которая остаётся неизвестным членом уравнения.

Тёмная энергия ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной, но ее происхождение - тайна, покрытая мраком. Если тёмная энергия постоянна в течение долгого времени, нас, вероятно, ждёт «большое замораживание»: Вселенная продолжит расширяться всё быстрее, и в конечном счёте галактики настолько удалятся друг от друга, что нынешняя пустота космоса покажется детской забавой.

Если тёмная энергия возрастает, расширение станет настолько быстрым, что увеличится пространство не только между галактиками, но и между звёздами, то есть сами галактики будут разорваны; этот вариант называется «большим разрывом».

Ещё один сценарий состоит в том, что тёмная энергия уменьшится и уже не сможет противодействовать силе тяжести, что заставит Вселенную свернуться («большое сжатие»).

Ну а суть в том, что, как бы ни разворачивались события, мы обречены. До этого ещё, впрочем, миллиарды или даже триллионы лет - достаточно, чтобы разобраться в том, как же всё-таки погибнет Вселенная.

Квантовая гравитация

Несмотря на активные исследования, теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность в её построении заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, - квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) - опираются на разные наборы принципов.

Так, квантовая механика формулируется как теория, описывающая временну́ю эволюцию физических систем (например атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени .

В ОТО внешнего пространства-времени нет - оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем.

При переходе к квантовой гравитации, как минимум, нужно заменить системы на квантовые (то есть произвести квантование). Возникающая связь требует какого-то квантования геометрии самого пространства-времени, причём физический смысл такого квантования абсолютно неясен и сколь-либо успешная непротиворечивая попытка его проведения отсутствует.

Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности - квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной.

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, недоступны современным технологиям. В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.

Бозон Хиггса не имеет абсолютно никакого смысла. Почему же он существует?

Бозон Хиггса объясняет, как все остальные частицы приобретают массу, но в то же время поднимает множество новых вопросов. Например, почему бозон Хиггса взаимодействует со всеми частицами по-разному? Так, t-кварк взаимодействует с ним сильнее, чем электрон, из-за чего масса первого намного выше, чем у второго.

Кроме того, бозон Хиггса - первая элементарная частица с нулевым спином.

«Перед нами совершенно новая область физики элементарных частиц, - говорит учёный Ричард Руис - Мы понятия не имеем, какова её природа».

Излучение Хокинга

Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга?

Почему случилось так, что Вселенная состоит из материи, а не антиматерии?

Антиматерия - та же материя: она обладает точно такими же свойствами, как вещество, из которого состоят планеты, звёзды, галактики.

Отличие только одно - заряд. Согласно современным представлениям, в новорождённой Вселенной того и другого было поровну. Вскоре после Большого взрыва материя и антиматерия аннигилировали (прореагировали с взаимным уничтожением и возникновением других частиц друг друга).

Спрашивается, как так вышло, что некоторое количество материи всё-таки осталось? Почему именно материя добилась успеха, а антивещество проиграло «перетягивание каната»?

Чтобы объяснить это неравенство, учёные усердно ищут примеры нарушения CP-инвариантности, то есть процессов, при которых частицы предпочитают распадаться с образованием материи, но не антиматерии.

«Прежде всего хотелось бы понять, различаются ли нейтринные осцилляции (превращение нейтрино в антинейтрино) между нейтрино и антинейтрино, - говорит поделившаяся вопросом Алисия Мэрино из Колорадского университета. - Ничего подобного до сих пор не наблюдалось, но мы надеемся на следующее поколение экспериментов».

Теория всего

Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему законы физики таковы, как они есть?

Для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов.

Бонус: Шаровая молния

Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Шаровая молния - светящийся плавающий в воздухе огненный шар, уникально редкое природное явление.

Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено, также существуют научные теории, которые сводят феномен к галлюцинациям.

Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым. По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором это природное явление искусственно воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев шаровой молнии.

Широко распространено мнение, что шаровая молния - явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляет собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.

Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой молнии остаётся под сомнением, в том числе:

сам факт наблюдения хоть какого-то явления;
факт наблюдения именно шаровой молнии, а не какого-то другого явления;
отдельные подробности явления, приводимые в свидетельстве очевидца.

Сомнения в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву для появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с этим явлением.

По материалам: несколько десятков статей из