Концепции современного естествознания

А. Т. Свергузов

 

 

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 

 

Учебное пособие

 

 

Казань

Издательство КНИТУ

2014

УДК 50(075.8)

ББК 20я73

 

 

Свергузов А.Т.

Концепции современного естествознания: учебное пособие /    А. Т. Свергузов; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол.  ун-т. – Казань: Изд-во КНИТУ, 2014 – 100 с.

ISBN 978-5-7882-1756-7

 

 

Изложены основные элементы современной естественно-научной картины мира с точки зрения диалектико-материалистического подхода. Пособие соответствует требованиям государственного образовательного стандарта Министерства образования и науки РФ.

Предназначено для студентов высших учебных заведений гуманитарного профиля подготовки, изучающих дисциплины «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира».

Подготовлено на кафедре философии и истории науки.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета.

Рецензенты: д-р филос. наук, проф. Н.М.Солодухо

                           канд. филос. наук, доц. П.Н.Курлович

ISBN 978-5-7882-1756-7                                  © Свергузов, А.Т., 2014     

                                                                 © КНИТУ, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение-------------------------------------------------------------------------------------------------4

Глава I. СПЕЦИФИКА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ЗНАНИЯ

§1. Понятие науки и научной картины мира----------------------------------------5

§2. Естественные и гуманитарные науки---------------------------------------------6

§3. Исторические этапы развития науки----------------------------------------------7

§4. Общие контуры естественно-научной картины мира------------------------9

§5. Особенности современной естественно-научной картины мира---------10

Глава II. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

§6. Представления классической физики-------------------------------------------12

§7. Представления неклассической физики----------------------------------------13

§8. Специальная теория относительности------------------------------------------14

§9. Общая теория относительности---------------------------------------------------16

§10. Квантовая механика-----------------------------------------------------------------19

§11. Элементарные частицы------------------------------------------------------------22

§12. Вакуум-----------------------------------------------------------------------------------25

§13. Фундаментальные взаимодействия---------------------------------------------27

§14. Единая теория поля------------------------------------------------------------------31

Глава III. АСТРОНОМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

§15. Представления классической астрономии------------------------------------34

§16. Представления современной астрономии-------------------------------------35

§17. Эволюция звезд-----------------------------------------------------------------------36

§18. Конечная стадия эволюции звезд------------------------------------------------40

§19. Эволюция Вселенной---------------------------------------------------------------43

§20. Будущее Вселенной------------------------------------------------------------------47

Глава I V. ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

§21. Представления классической химии-------------------------------------------48

§22. Представления современной химии--------------------------------------------52

§23. Предмет химии------------------------------------------------------------------------53

§24. Концептуальные этапы развития химии--------------------------------------55

§25. Эволюционная химия---------------------------------------------------------------57

Глава V. БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

§26. Предмет биологии--------------------------------------------------------------------61

§27. Представления о происхождении и сущности жизни----------------------62

§28. Основные этапы эволюции жизни----------------------------------------------64

§29. Уровни организации живой природы------------------------------------------68

§30. Учение о биосфере--------------------------------------------------------------------70

§31. Клеточная теория--------------------------------------------------------------------72

§32. Генетика и молекулярная биология--------------------------------------------74

§33. Теория эволюции---------------------------------------------------------------------79

§34. Антропогенез--------------------------------------------------------------------------84

Глоссарий----------------------------------------------------------------------------------------------89

Персоналии--------------------------------------------------------------------------------------------95

Некоторые физические постоянные и величины------------------------------------------98

Библиографический список----------------------------------------------------------------------99

Введение

 

Цель работы – помочь студентам, изучающим общественные и гуманитарные науки, овладеть основными представлениями современной естественно-научной картины мира. Усвоение в общем виде основных принципов и методов исследования, применяемых в современном естествознании, будет способствовать формированию у будущих специалистов адекватного действительности мировоззрения и научного стиля мышления.

Наука несовместима с квазинаучным мировоззрением, псевдонаучными идеями. Только люди, обладающие научным мышлением и мировоззрением, могутуспешно противостоять как интеллектуальному догматизму, так и интеллектуальному анархизму. Курс «Концепции современного естествознания» должен способствовать формированию подлинно научного мировоззрения.

Акцент делается на естественно-научном знании. Философские и методологические аспекты науки рассматриваются в специальной литературе [например: 7, 8, 9, 19, 20, 22, 23].

В пособии излагаемые вопросы рассматриваются с материалистических позиций. Содержанием работы являются основные разделы современного естествознания - концепции в области физики, астрономии, химии и биологии. Материал представлен таким образом, чтобы показать их фундаментальную взаимосвязь. На основе принципа универсального эволюционизма в природе раскрывается единство микро-, макро- и мегамиров, развитие материи от простого к сложному. Стержнем пособия является освещение актуальных мировоззренческих проблем: происхождение Вселенной, жизни и человека.

Квантовая механика

 

На рубеже XIX-XX веков в физике появился «каскад» фактов, для описания которых классической физики оказалось недостаточно. Они опровергли представления об атомах как неделимых элементах материи: 1896 год - открытие радиоактивности (спонтанного распада атома и превращения его в другой элемент) Беккерелем; 1897 год - открытие электрона Томпсоном; 1911 год - открытие строения атома Резерфордом. Рушилась 2.5 тысячи лет существовавшая идея атома как «кирпичика» материи. «Исчезновение» атома воспринималось как исчезновение материи и опровержение материализма.

Квантовая механика – теория микрообъектов. День рождения квантовой физики - 14.12.1900 года. М.Планк сформулировал идею квантов, согласно которой в процессе излучения и поглощения энергии она отдается не непрерывно и в любых количествах, а неделимыми порциями (квантами). Формула квантов энергии: Е= hν, где Е – энергия кванта, ν - частота излучения, h - постоянная Планка. Квант – неделимая порция какой-либо величины (энергии, импульса). Смысл постоянной Планка вытекает из ее размерности. Это квант действия – предел возможного действия в природе.

В 1905 году Эйнштейн распространил эту формулу на световые явления. Согласно его теории свет является потоком световых квантов (фотонов). Он, по сути, сформировал квантовую теорию света. Прямые доказательства существования фотонов получил в 1922 году американский ученый А.Комптон при рассеянии рентгеновских лучей на электронах. Эффект Комптона объяснялся только с корпускулярных позиций. За теорию квантовой природы света Эйнштейн в 1922 году получил Нобелевскую премию.

Парадокс: в одних явлениях свет ведет себя как волна (явления дифракции, интерференции), а в других опытах свет ведет себя как частица (явление фотоэффекта).

1904 – первая модель атома, предложенная Дж.Томсоном. Он предположил, что атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой плавают отрицательно заряженные электроны. Экспериментальная модель атома Резерфорда напоминала солнечную систему: вокруг положительно заряженного ядра, движутся отрицательно заряженные электроны. Электрический заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и сумме зарядов электронов (атом электрически нейтрален). Резерфорд получил размеры ядра порядка 10^-12-10^-13см (10^-8 см - размер атома).

Но согласно электродинамике Максвелла такой атом неустойчив - электроны должны излучать энергию и упасть на ядро.

1913 год - Нильс Бор сформулировал квантовую модель атома (получившей название атома Резерфорда-Бора), которая объясняла устойчивость атома. Постулаты Бора:

-электрон в атоме может двигаться только по определенным орбитам, находясь на которых электрон не излучает энергию;

-электрон излучает (поглощает) энергию при переходе с одной орбиты на другую.

Модель Бора точно описала атом водорода, но не многоэлектронные атомы (расходилась с экспериментами). Из этого следовало, что электрон не является механическим шариком. Таким образом, модель Бора оказалась переходной  – ее не хватало для описания всех микроявлений.

В 1925 году был сформулирован принцип исключения - принцип Паули, определяющему закономерности распределения электронов в атоме по слоям вокруг ядра. В каждом квантовом состоянии (описываемом квантовыми числами) не может находиться больше одного фермиона (в данном случае электрона). Поэтому в первом слое, наиболее близком к ядру, может быть только 2 электрона, втором и третьем – 8, четвертом и пятом – 18, шестом и седьмом – 32. Элементы, имеющие одинаковое строение внешней оболочки, принадлежат к одной группе (вертикальному столбцу) Периодической системы Менделеева. Число химических элементов в периоде равно числу электронов в слое.

В дальнейшем принцип получил более глубокий физический смысл. Его называют законом запрета коллапса материи. Например, этому закону подчиняются, как фермионы, кварки.

1924 год - Л.де Бройль выдвинул (в противовес идее Эйнштейна о квантовых свойствах света) идею волновых свойств частиц. Любой частице массой «m» соответствует волна длиной L═h/(mV), где V – скорость частицы. Получается, что волновые свойства наряду с корпускулярными присущи всем видам материи. Эта идея получила название принципа корпускулярно-волнового дуализма. В 1927 году гипотезу де Бройля подтвердили экспериментально К.Дэвисон и Л.Джермер, обнаружив в опыте дифракцию (рассеяние, огибание препятствия) электронов. Дифракция – отклонение волн от прямолинейного движения при прохождении препятствия.

1925 год – В.Гейзенберг вывел уравнение для частиц материи (матричный вариант квантовой механики). 1926 год – Э.Шредингер получил уравнение для волн материи (волновой вариант). Позже выяснилось, что это разные формы одной и той же теории. 1928 год – П.Дирак получил релятивистское обобщение уравнения Шредингера.

Следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма является принцип неопределенности Гейзенберга (1927), раскрывающий принципиальную особенность природы микрообъектов. Принцип неопределенности: понятия частицы и волны к квантовым объектам  можно применить только отдельно (корпускулярные и волновые свойства микрообъектов одновременно с любой точностью определить нельзя). Например, нельзя одновременно с любой точностью измерить координату и импульс (или длину волны), энергию и время микрообъекта. Их можно определить только с точностью  в пределах соотношения:

∆ x ×∆ p ≥ h – соотношение для координаты и импульса.

∆x – фундаментальная неопределенность (интервал) координаты частицы, описываемой волной де Бройля. ∆p – неопределенность (интервал) импульса частицы. Чем точнее определяется координата, тем менее точно определяется импульс и наоборот. Действительно: не может частица сама себя локализовать точнее, чем на половине длины своей волны.

∆ E ×∆ t ≥ h – соотношение для энергии и времени.

∆E – неопределенность (интервал) энергии частицы в данном состоянии, ∆t – промежуток времени, в течение которого частица находится в данном состоянии (или время измерения). Энергия частицы может быть определена тем точнее, чем дольше время измерения. И, наоборот – в фиксированный момент времени частица может обладать энергией в пределах ∆E (может быть определена с такой точностью). Это, например, означает, что в течение времени ∆t энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t, которая может материализоваться (в виде виртуальных частиц).

Эти формулы отображают корпускулярно-волновую природу частиц. Принцип неопределенности – закон природы, а не следствие несовершенства приборов. Принцип выражает основной смысл квантовой механики, отражает фундаментальную неопределенность явлений природы. Год 1927 считается датой завершения построения квантовой механики (нерелятивистской).

Принцип объясняет явления, невозможные с точки зрения классической механики. Например, туннельный эффект - отличная от нуля вероятность прохождения квантовым объектом (из-за волновых свойств) энергетического барьера. Аналогия: способность волн огибать препятствия. Благодаря эффекту происходит распад радиоактивных ядер, термоядерные реакции на звездах и др.

Квантовая механика является фундаментом современной физики, обеспечивает фантастическую точность предсказаний. С ее помощью построили теорию твердого тела, сверхтекучести, радиоактивности, эволюции звезд, ядерную физику, электронику и др.

Анализируя принципы квантово-волнового дуализма и неопределенности Нильс Бор пришел к философскому обобщению, диалектически сформулированному им в виде принципа дополнительности: любое явление природы требует для своего определения взаимоисключающие понятия.

Таким образом, квантовая механика обнаружила вероятностный характер законов микромира, неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в фундаменте материи.

Элементарные частицы

 

Термин элементарные частицы первоначально означал простейшие, далее неделимые. В настоящее время этот термин применительно к микрообъектам является условным, т.к. нельзя всегда утверждать, что одни элементарные частицы состоят из других.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса покоя, электрический заряд, среднее время жизни, спин (собственный момент импульса). Масса покоя определяется по отношению к массе покоя электрона.

К году создания квантовой механики (1927) были известны три элементарные частицы – электрон (1897), протон (1919) и фотон (1922). В 1932 году открыли нейтрон и была выдвинута идея о том, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. В 1928 году был предсказан, а в 1936 открыт позитрон. В 1955 открыт антипротон, 1956 – антинейтрон. К середине XX века было открыто 15 элементарных частиц и античастиц, к концу 1970-х годов – 400. Частицы лишены индивидуальности, внутри одного типа идентичны (один электрон от другого неотличим).

Типы частиц по значению в строении материи:

-носители субстрата материи (адроны, лептоны);

-носители структуры материи (переносчики взаимодействий).

Типы элементарных частиц по их отношению к веществу:

-частицы (вещество);

-античастицы (антивещество).

Каждой элементарной частице соответствует античастица. Эту идею выдвинул Дирак, «духовный отец антиматерии», в 1936 году. Основные характеристики - масса покоя, спин и время жизни - частиц и античастиц одинаковы. Они противоположны по знаку заряда (электрического, магнитного, барионного или лептонного). Примеры. Позитрон - античастица электрона - имеет противоположный (положительный) электрический заряд. Антинейтрон имеет противоположный магнитный и барионный заряд. Антинейтрино имеет противоположный лептонный заряд. Частицы и античастицы уничтожают друг друга.

Частицы, свойства которых полностью тождественны свойствам их античастиц, называются истинно-нейтральными частицами. К ним относятся фотон и нейтральные мезоны  π⁰ и К⁰.

Типы элементарных частиц по массе покоя:

-безмассовые частицы, движущиеся с предельной для материальных частиц скоростью (света): фотоны, гравитоны, глюоны;

-«легкие» частицы: лептоны (частицы имеющие массу покоя, но не участвующие в сильных взаимодействиях - электрон, нейтрино, мюоны и т.д. - всего 12 штук);

-промежуточные частицы - мезоны (1-1000 масс электрона m^e);

-тяжелые частицы – барионы: гипероны (нестабильные частицы, самая тяжелая - Z-бозон 200 000 m^e или 87 m^p) и нуклоны (протон, нейтрон примерно 2000 m^e).

Название «легкие частицы» условно, т.к. некоторые лептоны имеют массу больше массы протона. Существование гравитона (переносчик гравитационного взаимодействия) пока не доказано. В 2002 году экспериментально обнаружено, что нейтрино обладает очень малой массой (меньше 0.28 эВ).

По строению. Мезоны и барионы относятся к классу адронов, состоящих из кварков. Барионы - из трех кварков, мезоны – двух. Кварки в свободном состоянии не наблюдаются. Кварки и лептоны, похоже, не состоят из других частиц. Кварки до масштаба 10^-16 см ведут себя как точечные образования, похожи на лептоны.

Кварковая материя на сегодняшний день рассматривается как конечная квантованная (корпускулярная) материя. Кварки распадаются на другие кварки и частицы.

По электрическому заряду. Все частицы обладают положительным, отрицательным или нейтральным электрическим зарядом. Заряд определяется по отношению к наименьшему заряду свободной частицы – это заряд электрона, который численно считается равным 1.

В 1964 году Гелл-Ман и Дж.Цвейг выдвинули гипотезу существования частиц с дробным зарядом (-1/3 или +2/3) – кварков, из которых состоят частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. В 1969 году эта гипотеза подтвердилась в экспериментах по рассеиванию электронов на протонах.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (долгоживущие), нестабильные (быстрораспадающиеся) и виртуальные (короткоживущие). Стабильные - фотон, нейтрино, электрон, протон. Нейтрон стабилен внутри ядра, но вне его распадается в течение 15 минут. Нестабильные существуют 10^-10-10^-24сек. Самые нестабильные называются резонансами. Они живут 10^-22-10^-24 сек. Виртуальные частицы существуют10^-24 сек.

По спину. Спины элементарных частиц имеют следующие величины: 0, 1/2, 1, 3/2, 2. Элементарных частиц со спином более 2 возможно не существует. Частицы с целым спином называются бозоны, с полуцелым - фермионы. Протон, нейтрон, электрон имеют спин 1/2, фотон 1, гравитон 2. Частицы с нулевым спином (например, некоторые ядра) выглядят одинаково при любом угле поворота. Частица со спином 1/2 - через 2 оборота, со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота, со спином 2 - через полоборота.

Фермионы подчиняются принципу Паули(в системе фермионов не может быть двух частиц в одном состоянии).

По участию в сильном взаимодействии. Участники в сильном взаимодействии называются адронами (они состоят из кварков). Адронов существует сотни, большинство – резонансы. Известные адроны: протон и нейтрон. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Частицы-переносчики взаимодействий: гравитационного - гравитоны, электромагнитного - фотоны, сильного – глюоны (их масса покоя равна нулю), слабого – W,Z-бозоны (массы покоя равны 87 m^p). Гравитоны и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Вакуум

 

Уравнение Шредингера не является релятивистским. Областью применения квантовой механики является движение микрочастиц в условиях сил, действующих мгновенно (принцип дальнодействия), т.е. квантовая механика не применима для скоростей, близких к скорости света, она пренебрегает законами релятивисткой физики (СТО). Именно поэтому квантовую механику называют также нерелятивистской квантовой механикой. Она также неприменима для описания процессов рождения и уничтожения частиц.

Теория, объединяющая представления квантовой механики и СТО, называется квантовой теорией поля (КТП). КТП является ядром современной физики – общим подходом ко всем фундаментальным взаимодействиям. Центральная идея КТП ̶ принцип квантово-волнового дуализма, т.е. признание существования волновых свойств у всех частиц и квантовых свойств у всех полей.

Под полем в КТП понимается квантовое поле  ̶  система частиц (квантов), заполняющих пространство. Энергия реальной частицы никогда не равна нулю, т.к. формула энергии кванта: Е=hʋ(n+1/2).

Соотношение неопределенностей радикально изменило представление о пустоте, получившей название физического вакуума. В течение времени ∆t энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t, которая может материализоваться в виде виртуальных частиц. Спустя время ∆t они «исчезают». Виртуальные частицы – короткоживущие (порядка 10^-24 сек) частицы, возникающие в вакууме вследствие кратковременного нарушения закона сохранения энергии.

Вакуум ̶ низшее энергетическое состояние поля, в котором отсутствуют реальные частицы. Действительно, вакуум в среднем пуст, его средняя энергия равна нулю, но согласно соотношению неопределенности (для энергии) квантовые эффекты могут в течение короткого времени нарушать закон сохранения энергии. Временно в вакууме могут возникать из ничего и снова превращаться в ничто частицы, называемые виртуальными (частицы-призраки). Происходят спонтанные (самопроизвольные) процессы рождения и уничтожения (аннигиляции) частиц, т.к. виртуальные частицы возникают не по одному, а парами  ̶  частицы и античастицы.

Таким образом, вакуум ̶ это не абсолютная пустота, а вид материи, существующий наряду с веществом и полем. Он наполнен флуктуациями всевозможных полей. Его реальность доказывается экспериментами. Реальные частицы окружены облаком виртуальных частиц. Например, влиянием вакуума объясняется отклонение уровней энергии электрона в атоме (лэмбовский сдвиг). Это влияние подтверждается также экспериментами по взаимодействию реальных частиц. Можно сказать, что взаимодействие реальных частиц осуществляется через испускание и поглощение виртуальных частиц. Чем выше энергия реальных частиц, тем чаще при их взаимодействии окружающие их виртуальные частицы превращаются в реальные.

В теории электрослабого взаимодействия Вайнберга-Салама вакуум рассматривается как коллективные возбуждения скалярного поля бозонов Хиггса (частиц «Бога»). Именно эти частицы физического вакуума принимают участие в формировании качественных и колличественных свойств реальных частиц. Такие свойства частиц, как спин, масса, заряд, проявляются во взаимодействии с определенным вакуумным состоянием вследствие перестройки вакуума. Хиггсовские бозоны представляют собой массивные элементарные частицы с нулевым спином. В 2012 году существование бозонов Хиггса было подтверждено экспериментально. В 2013 году Питер Хиггс совместно с Франсуа Энглером за их теоретическое открытие получили Нобелевскую премию.

Вакуум в физической картине мира предстает как прародитель нашего мира. Существует фоновое пространство, заполненное вакуумом, где происходят возмущения, дающие начало вселенным.

Единая теория поля

 

Теория электрослабого взаимодействия. В конце 1960-х годов электромагнитные и слабые взаимодействия, разные по своей природе, были объединены в одно - электрослабое взаимодействие. Теория была создана независимо С.Вайнбергом и А.Саламом. В 1979 году они совместно с Глэшоу получили Нобелевскую премию.

Дело в том, что слабое взаимодействие более сложно. Во-первых, в слабом взаимодействии могут участвовать частицы различных типов. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие не превращает частицы в другие частицы.

В теории Вайнберга–Салама фотоны и W⁺,W^-,Z⁰-бозоны имеют общее происхождение. Слабое взаимодействие столь мало потому, что бозоны очень массивны (87 m^p). При энергиях больше 10² Гэв разница между фотонами и бозонами стирается. Экспериментальное обнаружение в 1983 году этих бозонов доказало, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются компонентами единого электрослабого взаимодействия.

Теория Великого объединения (ТВО) объединяет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях более 10¹⁴ Гэв или на расстояниях менее 10^-29 см эти три взаимодействия имеют общую природу (описываются общей константой). Кварки и лептоны здесь практически неразличимы, т.е. в их взаимопревращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Существуют разные варианты ТВО, они имеют следующие общие черты:

-кварки и лептоны являются подлинно элементарными (неделимыми) – шесть кварков, шесть лептонов и их античастицы (всего 24 частиц) являются кирпичиками вещества;

-открытие новых типов полей, превращающих кварки в лептоны, т.е. предсказываются новые переносчики взаимодействия (сверхтяжелые промежуточные X- и Y–бозоны, обладающие массой 10¹⁴ m_p, цветом и электрическими зарядами 1/3 и 1/4);

-предсказывается нестабильность протона (время жизни примерно 10³³ лет), из которого вытекает нестабильность вещества;

-предсказывается существование магнитного монополя – стабильной и очень тяжелой частицы массой 10⁸ масс протона.

Их обнаружение будет великими физическими экспериментами. Кажущийся парадокс – протон содержит внутри себя Х-бозон, который тяжелее - объясняется принципом неопределенности.

Единая теория поля (ЕТП, суперсимметрия, супергравитация, квантовая теория гравитации) объединяет все четыре взаимодействия. Теория показывает, что объединение взаимодействий происходит при энергиях больше 10¹⁹ Гэв. Теория должна обеспечить переход (симметрию) от носителей субстрата материи (лептонов и кварков) к носителям структуры материи (переносчикам взаимодействий) и наоборот. Гравитон здесь не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. Гравитино – частицы со спином 3/2. Переносчики других взаимодействий также сопровождаются новыми частицами-переносчиками – фотино, вино, зино, глюино.

Идея суперсимметрии в природе: постулируется единая природа всех частиц. Это кульминация теоретической физики. С созданием супергравитации можно получить ответы на следующие вопросы:

-почему пространство трехмерно, а время одномерно;

-сколько существует фундаментальных взаимодействий;

-сколько существует элементарных частиц;

-почему мировые константы имеют именно такую величину;

-от чего зависят константы (например, заряд электрона).

ЕТП не завершена, есть сомнения в ее получении в рамках квантовой теории поля (КТП или стандартной модели). Главная трудность – отсутствие связи гравитации с физикой элементарных частиц, квантовой теории микрогравитации. Новая нестандартная модель (теория суперструн) предполагает обоснование физики геометрией, возрождает идею многомерности пространства.

Теория суперструн (М-теория, многомерная супергравитация) пришла на смену стандартной модели на рубеже XX-XXI веков. Первоначально в ее основе лежала идея о том, что элементарные частицы должны рассматриваться не как точечные образования, а как одномерные вибрирующие струны. КТП здесь есть приближение теории суперструн.

Струны-гравитоны либо свернуты в петли, либо являются незамкнутыми отрезками. Они не имеют толщины, длина порядка планковской величины 10^-33 см, имеют огромное натяжение порядка 10³⁹ тонн. Колебаниями и взаимодействиями струн можно объяснить природу элементарных частиц, их взаимодействий, природу пространства и времени. Характеристики элементарных частиц объясняются резонансными колебаниями струн (модами). Масса элементарной частицы определяется энергией колебания струны. Взаимодействие элементарных частиц представляются как распады и слияния струн. Пространство и время существуют, когда все множество струн упорядочено (колеблются согласовано).

Из теории суперструн следуют важные выводы:

-число элементарных частиц бесконечно как бесконечно число мод колебаний;

-возможно существование новых фундаментальных взаимодействий.

Построить последовательную теорию супергравитации в пространстве трех измерений не получается. Наименьшая размерность, при которой удается справиться с трудностями – 9. Теория предполагает дополнительные пространственные измерения - минимум шесть. Они находятся в свернутом состоянии в каждой точке пространства в пределах 10^-33 см. Из всех взаимодействий дополнительные измерения доступны только гравитации. Так как струны очень малы, они колеблятся во всех измерениях, поэтому фундаментальные свойства элементарных частиц определяют геометрию дополнительных измерений.

Позднее струны стали считаться не только одномерными - их обозначают как р-брана. Струны (р-браны) – элементарные «частицы» р-измерений в теории суперструн. 1-брана называется струной, 2-брана называется мембраной и т.д. Каждому из таких объектов могут соответствовать собственные физические законы. Наше пространство также может рассматриваться как 3-брана замкнутой на себя Вселенной. Более того, возможна 0-брана, которая предшествовала существованию пространства и времени.

Теория предсказывает, что некоторые свернутые измерения могут иметь размеры в пределах долей миллиметра. Планируются эксперименты по их обнаружению. Суть – измерение силы тяготения в этих пределах (если для нашего пространства сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то для струн может быть другая степень). Теория предсказывает струны космических размеров, которые возникли на начальном этапе развития Вселенной. Теория предсказывает частицы с электрическими зарядами 1/5, 1/11, 1/13 и 1/53. Предсказывается непостоянство некоторых физических констант. Недавно эксперименты показали, что постоянная тонкой структуры (количественная характеристика электромагнитного взаимодействия) в прошлом была заметна меньше.

Математическое описание шестимерных пространств сложно (десятки тысяч уравнений). Уравнения сложны даже для формулировки. Их решения приблизительны.

Теория суперструн далеко опередила возможности эксперимента. Таким образом, создание единой теории материи зависит от экспериментов – от создания мощных ускорителей, от изучения космических лучей.

Новая физика. Не исключены другие варианты развития физики. Например, это зависит от открытия субкварковых частиц, неизвестных видов материи и энергии, неподтверждения теории суперструн и т.д.

Эволюция звезд

Наблюдаемая Вселенная – это мир галактик. Галактики – гигантские звездные системы, содержащие 10⁷-10¹³ звезд. Они имеют размеры от нескольких десятков тысяч до 18 млн световых лет. Что они состоят не только из пыли, но и звезд стало ясно в 1920-е годы. Ближайшая галактика – Туманность Андромеды - находится от нас на расстоянии 1.5 млн световых лет. Расстояние до самой дальней наблюдаемой галактики – свыше 10 млрд световых лет.

Наша галактика – Млечный путь – диск с утолщением в центре диаметром 100 тысяч световых лет, толщиной – в 10-15 раз меньше. Состоит примерно из 200 млрд звезд. Ее возраст около 13 млрд лет. Центр галактики движется относительно реликтового фона со скоростью 500 км/сек. Солнце расположено на расстоянии примерно в 30 тысячах световых лет от центра галактики и вращается вокруг него со скоростью 200 км/сек. Млечный путь и Андромеда сближаются со скоростью 100 км/сек, что приведет к их слиянию.

Основные характеристики звезд. В звездах сосредоточено около 98% видимого вещества Вселенной. Сосчитаны и занесены в каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. Всего наблюдению доступно около 2 млрд звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10²².

Самая близкая звезда Проксима Центавра находится на расстоянии 4.24 световых года,  не наблюдается с территории России и не видна невооруженным взглядом. Ее масса – 1/7 солнечной.

Основные характеристикизвезд - радиус R, светимость L, поверхностная температура (цвет) T, масса, химический состав. Максимальная масса звезд, по некоторым оценкам, 100-150 солнечных, минимальная – 0.05 (масса планеты Юпитер – 0.0001). Самые маленькие звезды имеют размер около 10 км, самые большие могут превосходить Солнце в 1000 раз. Самые горячие звезды имеют поверхностную температуру порядка 50 тысяч градусов, самые холодные – около 3000 (Солнце – 6000). Светимость может достигать несколько миллионов солнечных.

Для нормальной звезды (в которой протекают термоядерные реакции) справедлива формула: L ═4 πR ² σT ⁴, где σ – постоянная Стефана-Больцмана. Эмпирическая зависимость светимости (абсолютной звездной величины) от температуры (цвета или спектрального класса), установленная в начале ХХ века, получила название диаграммы Герцшпрунга-Рессела. В нормальном состоянии, когда происходит реакция горения водорода (на диаграмме Герцшпрунга-Рессела звезда находится на главной последовательности), звезда существует 90% своей жизни.

Возникновение звезд происходит из газово-пылевых туманностей под действием двух сил – гравитации, стремящейся сжать звезду, и силы давления газа, стремящейся расширить звезду. Период стабильности звезды означает, что эти силы равны.

В протозвезде гравитация растет и разогревает газ. Например, энергии гравитационного сжатия для поддержания светимости Солнца хватило бы на 30 млн лет. Когда температура достигает 8 млн градусов – включаются термоядерные реакции синтеза из водорода гелия He³, а при 10-15 млн - He⁴. Сжатие прекращается под действием светового давления и звездообразование завершается.

Юпитер излучает в 2.5 раза больше энергии, чем получает ее от Солнца. Это значит, что Юпитер разогревается за счет гравитационного сжатия, т.е. является протозвездой (он состоит из водорода и гелия в той же пропорции, что и Солнце). Но звездой не станет из-за недостаточной массы.

Эволюция звезд зависит от их массы и химического состава. Чем больше масса – тем короче жизнь. Теоретически рассчитанное время жизни самых массивных звезд – 3.5 млн лет, Солнца – 10 млрд лет. Звезды 1-го поколения состоят из 75% водорода и 25% гелия. В ходе быстрой эволюции массивных звезд 1-го поколения образовались более тяжелые химические элементы (в основном до железа), которые были выброшены в межзвездное пространство. Звезды последующих поколений формировались из вещества, содержащего 3-4% тяжелых элементов. Считается, что в настоящее время межзвездный газ состоит примерно из 67% водорода, 28% гелия и 5% остальных элементов. 85% тяжелых элементов возникло примерно 9-10 млрд лет назад. Солнце – звезда, скорее всего, 3-го поколения.

Звезды, по сути, термоядерные бомбы. Основателем теории термоядерных источников звездной энергии является немецкий физик Г.Бете (1939). Термоядерные реакции – ядерные реакции синтеза химических элементов при высоких температурах. Термоядерные реакции в звездах – это, прежде всего, реакции столкновения ядер легких элементов с протонами. Чем выше температура в недрах зве