Принцип дополнительности легко представить себе как закон платы, о чем у нас уже шла речь выше (разд.1-2): рост одной из двух или нескольких взаимосвязанных величин должен быть оплачен уменьшением другой величины (других величин).

Актуальность закона чрезвычайно велика в сфере человеческих взаимоотношений, но корни его, по-видимому, заложены глубже, в самом основании нашего мира. Простые, известные со времен античности принципы рычага, клина, полиспаста позволяют теоретически бесконечно увеличивать силу человеческих рук, силу удара, усилие на шкиве мотора. Предложение «перевернуть земной шар», если найдется подходящая точка опоры, не было хвастовством или безумной фантазией Архимеда. Единственное, что забыл подсчитать великий изобретатель - с какой (космической) скоростью он должен бежать, надавливая на плечо рычага, и сколько миллионов лет он должен затратить на это занятие, чтобы сдвинуть Землю на минимально заметную величину. Вероятно, только действие закона платы позволило биосфере в течение миллиардов лет сохранять важнейшие параметры в допустимых границах. В противном случае какая-нибудь амеба могла бы представить себя Архимедом и сделать с Землей что-то непоправимое. Каждой вылазке разрушающего Ян немедленно, без всякой задержки, оказывает противодействие - в том или ином виде - сохраняющее Инь. Время и пространство (расстояние) - обычная валюта в этой торговле.
Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения F двух масс mi и т2, оплачивается второй степенью расстояния R между их центрами тяжести: F = ym^/R2, где у - гравитационная постоянная. Зависимость дополнительного типа становится более очевидной, если переписать уравнение в виде: FR2 = у тгт2. Если величины взаимодействующих масс не меняются, то увеличение силы притяжения должно оплачиваться уменьшением расстояния, а увеличение расстояния - уменьшением силы. Вторая дополнительная пара составлена из двух взаимодействующих масс. Если мы задались целью оставить неизменными силу и расстояние, то изменение массы будет оплачено противоположным изменением второй массы. Аналогична взаимная «ответственность» величин, если речь идет о кулоновском взаимодействии электрических зарядов: FR2 = Kqtq2, где к - коэффициент пропорциональности.
В недрах Солнца и подобных ему звезд произведение давления на квадрат расстояния от центра - величина постоянная: PR2 = N, что опять приводит к зависимости дополнительного типа.
Расстояние, тоже в квадрате, до источника света противостоит как дополнительная переменная величине освещенности Е плоской поверхности: ER2 = 1 cosa, где 1 - сила света, a - угол между нормалью к поверхности и направлением распространения волны.
Вторая степень показателя удаленности - естественное следствие геометрии евклидова пространства. Рассеяние энергии в пространстве снижает напряженность энергетического поля, но в то же время покрывает большую поверхность. Поверхность растет как площадь сегмента поверхности шара, то есть пропорционально второй степени расстояния.
Еще примеры дополнительности физических величин.
Если задаться постоянством расстояния между пунктами А и В, то основное уравнение движения: S = vt ставит в положение обратно зависимых величин скорость у и время t.
Масса обратна ускорению, когда к разным телам прикладывается одна и та же сила: F == та.
Формула кинетической энергии Е демонстрирует дополнительные отношения между движущейся массой m и скоростью v: 2Е = mv2. Пара явно неравноправна, скорость входит в нее с показателем степени 2, что, впрочем, не нарушает сам принцип обратной зависимости. Но для конструктора артиллерийских орудий это не безразлично. Ясно, что наращивать бронебойную силу снаряда выгоднее путем увеличения Анальной скорости, чем за счет утяжеления снаряда.
Тройка переменных: сила тока I, сопротивление R и напряжение в Цепи V (закон Ома) при постоянном напряжении обнаруживает отношение дополнительности между первой и второй величинами: V = IR.
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона - Менделеева) связывает между собой, как и в случае с гравитацией, сразу две дополнительных пары: pV = m/p RT. Здесь р - давление газа, V - объем, m/р - количество газа, выраженное в молярных единицах, Т - температура, R - газовая постоянная. При адиабатическом процессе масса газа предполагается постоянной и теплообмена со средой не происходит, но все три свободные переменные, объем, давление и температура меняются. Нагретый летним солнцем воздух поднимается, теряя температуру и давление, но объем его при этом растет. В опытах можно поддерживать температуру постоянной (изотермический процесс), тогда по закону Бойля-Мариотта объем и давление становятся дополнительными величинами. Мы можем также задать условие неизменности объема и давления, тогда в обратных отношениях окажутся количество и температура газа. Эта зависимость, однако, не вызвала большого интереса у физиков и не получила собственного названия.
Мы уже упоминали, что «неживая» природа дает примеры не только парной, но и множественной дополнительности, речь шла о потенциалной энергии. Вот аналогичный случай. Когда электрический заряд движется в магнитном поле, его траектория отклоняется силой Лоренца F в плоскости, перпендикулярной движению заряда и индукции магнитного поля, следуя правилу: F = qvB. Переменные в правой части уравнения последовательно обозначают заряд, скорость и магнитную индукцию, три взаимно-допонительных величины.
Можно и дальше умножать примеры отношений дополнительности, проявляющих себя в механике твердых тел, жидкостей и газов, в термодинамике, электродинамике, оптике и других разделах физики. Похоже, для принципа дополнительности нет границ в «неживом» мире.
Все это было бы прекрасно, если бы мы заранее не объявили, что в дополнительных отношениях находятся величины, одна из которых в чем- то мужская, другая в чем-то женская. Для третьей уже места как-будто не находится. Конечно, для писателей-фантастов не составляет труда придумать семью с тремя, пятью родителями: папа, дада, нана,... мама. Между папой и мамой помещается целый ряд промежуточных существ с промежуточными свойствами. Оказывается, фантасты не открывают здесь ничего необычного. Реальные предметы, системы, способны выстраиваться в «очередь» по степени проявления в них свойств подвижности и консервативности.
Общее правило состоит в том, что при большинстве взаимодействий можно обнаружить активное, действующее начало, с наибольшим основанием претендующее на место мужского Ян и пассивное, инертное или даже противодействующее в духе женского Инь. Там, где во взаимодействии участвуют параметры силы, скорости, ускорения, электрического заряда, силы тока, температуры, давления, они ведут свое происхождение от причины всякого движения - энергии, осуществляют функцию действия. Противостоящие им переменные - расстояние, масса, электрическое сопротивление, объем - сами причиной движения не являются, наоборот, они отражают процессы торможения и рассеяния энергии в пространстве и во времени. Осуществляют функцию антидействия.
Сложнее обстоит дело, когда приходится расшифровывать примеры множественной дополнительности, как в примере с магнитной индукцией. Переменные образуют треугольник: заряд - скорость заряда - величина индукции. Наиболее энергетическим «углом» следует считать величину заряда, определяющую напряжение электрического поля. Магнитная индукция - пассивное начало, проявляющее себя не раньше, чем в магнитном поле появится движущееся электрическое поле. Это инертный «угол» троицы. Параметр скорости вместе с зарядом противостоит индукции как энергетический фактор. Но в паре с количеством переносимого электричества скорость, комплексная величина, составленная из расстояния и времени, несомненно, приобретает черты инертного начала. Из чего непосредственно следует важный вывод: Ян и Инь - не являются свойствами, раз и навсегда «записанными» за физическими переменными. Их позиции определяются только в паре, в сравнении. В одном сочетании свойство может выполнять функцию пассивного начала, в другом - активного.
Запомним: в отношения дополнительности могут вступать не только крайние члены ряда от чистого, стопроцентного Ян к чистому Инь, но и промежуточные обладатели обоих свойств. При этом их может быть больше двух под крышей одной и той же константы.
В таком случае как решить проблему разделения переменных, если это две качественно тождественные величины, как масса одна и масса Другая, заряд первый и заряд второй?
Когда взаимодействуют массы, не равные но величине, то появляется база для рассуждений. Оба тела испытывают действие сил, Равных по величине и противоположных по направлению. Но ускорение физического тела зависит не только от силы (прямо пропорционально), но и от массы тела (обратно пропорционально). Поэтому массивное тело и Маленькая песчинка отреагируют на притяжение по-разному: смещение большой массы может остаться незаметным, тогда как малая масса
просто «упадет» на своего партнера. Мы привыкли рассматривать Луну как спутник Земли, не наоборот. Тем более это относится к Земле и орбитальной станции, хотя теоретически оба тела обращаются вокруг общего центра тяжести. Напрашивается решение: присвоить марку Инь более крупному, более инертному телу. Также и в том случае, если действующая сила имеет электрическую или магнитную природу. Электрон, как более легкий и более подвижный компонент атома, определенно может претендовать на позицию мужского Ян рядом с протоном - Инь, хотя положительный и отрицательный электрический заряды в «чистом виде» равны по своей «активности». Аналогично, по соотношению масс, делятся функции частиц при взаимном отталкивании (электрон - катион).
Но если взаимодействуют два электрона, то, по определению, их массы равны между собой, так что и по признаку «массивности» их разделить нельзя. Здесь мы вынуждены сделать еще один существенный вывод: противопоставление инертного начала Инь и активного начала Ян имеет количественную природу. При полной качественной и количественной идентичности взаимодействующих переменных они становятся взаимозаменяемыми, продолжая выполнять функции двух чашек весов. В философском плане это может соответствовать достижению состояния полного равновесия, Ба Гуа в канонах китайской мудрости, или Саттве - в Индии.

Описанные выше динамические законы имеют универсальный характер, то есть они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. Наряду с ними в естествознании в середине прошлого века были сформулированы законы, предсказания которых являются не определенными, а только вероятными. Свое название эти законы получили от характера той информации, которая была использована для их формулировки. Вероятностными они назывались потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, часто такие законы называются также статистическими, и это их название получило в естествознании значительно большее распространение. Представления о закономерностях особого типа, в которых связи между величинами, входящими в теорию, неоднозначны, впервые ввел Максвелл в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввел в физику понятие вероятности, выработанное ранее математиками при анализе случайных явлений, в частности азартных игр .

Многочисленные физические и химические опыты показали, что в принципе невозможно не только проследить изменения импульса или положения одной молекулы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа или другого макроскопического тела в данный момент времени. Ведь число молекул или атомов в макроскопическом теле имеет порядок 1023. Из макроскопических условий, в которых находится газ (определенная температура, объем, давление и т.д.), не вытекают с необходимостью определенные значения импульсов и координат молекул. Их следует рассматривать как случайные величины, которые в данных макроскопических условиях могут принимать различные значения, подобно тому, как при бросании игральной кости может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпадет при данном бросании кости, нельзя. Но вероятность выпадения, например, 5, можно подсчитать. Эта вероятность имеет объективный характер, так как выражает объективные отношения реальности, и ее введение не обусловлено лишь незнанием нами деталей течения объективных процессов. Так, для кости вероятность выпадения любого числа очков от 1 до 6 равно 1/6, что не зависит от познания этого процесса и потому есть явление объективное. На фоне множества случайных событий обнаруживается определенная закономерность, выражаемая числом. Это число - вероятность события - позволяет определять статистические средние значения (сумма отдельных значений всех величин, деленная на их число). Так, если бросить кость 300 раз, то среднее число выпадения пятерки будет равно 300 "Л = 50 раз. Причем совершенно безразлично, бросать одну и ту же кость или одновременно бросить 300 одинаковых костей . Несомненно, что поведение газовых молекул в сосуде гораздо сложнее брошенной кости. Но и здесь можно обнаружить определенные количественные закономерности, позволяющие вычислить статистические средние значения, если только ставить задачу так же, как в теории игр, а не как в классической механике. Нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а пытаться найти вероятность определенного значения этого импульса. Максвеллу удалось решить эту задачу. Статистический закон распределения молекул по импульсам оказался несложным. Но главная заслуга Максвелла состояла не в решении, а в самой постановке новой проблемы. Он ясно осознал, что случайное в данных макроскопических условиях поведение отдельных молекул подчинено определенному вероятностному (или статистическому) закону. После данного Максвеллом толчка молекулярно-кинетическая теория (или статистическая механика, как стали называть ее в дальнейшем) начала стремительно развиваться. Статистические законы и теории имеют следующие характерные черты. 1. В статистических теориях любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Это означает, что состояние в статистических теориях определяется не значениями физических величин, а статистическими (вероятностными) распределениями этих величин. Это принципиально иная характеристика состояния, чем в динамических теориях, где состояние задается значениями самих физических величин. 2. В статистических теориях по известному начальному состоянию в качестве результата однозначно определяются не сами значения физических величин, а вероятности этих значений внутри заданных интервалов. Тем самым однозначно определяются средние значения физических величин. Эти средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях. Нахождение средних значений физических величин - главная задача статистических теории. Вероятностные характеристики состояния в статистических теориях отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Тем не менее, динамические и статистические теории обнаруживают в самом существенном отношении замечательное единство. Эволюция состояния в статистических теориях однозначно определяется уравнениями движения, как и в динамических теориях. По заданному статистическому распределению (по заданной вероятности) в начальный момент времени уравнение движения однозначно определяет статистическое распределение (вероятность) в любой последующий момент времени, если известны энергия взаимодействия частиц друг с другом и с внешними телами. Однозначно определяются соответственно и средние значения всех физических величин. Здесь нет никакого отличия от динамических теорий в отношении однозначности результатов. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они вообще не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний . На уровне статистических законов и закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью. Но детерминизм в статистических закономерностях представляет более глубокую форму детерминизма в природе. В отличие от жесткого классического детерминизма он может быть назван вероятностным (или современным) детерминизмом. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, любой известный на сегодняшний день процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Однозначная связь состояний в статистических теориях говорит об их общности с динамическими теориями. Различие между ними в одном - способе фиксации (описания) состояния системы. Истинное, всеобъемлющее значение вероятностного детерминизма стало очевидным после создания квантовой механики - статистической теории, описывающей явления атомарного масштаба, то есть движение элементарных частиц и состоящих из них систем (другими статистическими теориями являются: статистическая теория неравновесных процессов, электронная теория, квантовая электродинамика). Современная физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных знаний о закономерностях существования неорганической материи, об основаниях целостности и многообразия явлений природы. Современная физика исходит из ряда фундаментальных предпосылок: - во-первых, она признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности, законы современной физики не всегда демонстративны, в некоторых случаях их наглядное подтверждение - опыт - просто невозможен; - во-вторых, современная физика утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамир - мир космических объектов и систем; макромир - мир макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромир - мир микрообъектов, молекул, атомов, элементарных, частиц и т.п. Классическая физика изучала способы взаимодействия и строение макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная же физика (квантовая) занимается изучением микромира, соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мегамир - предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики; - в-третьих, неклассическая физика утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения, т.е. от познающего эти процессы человека (принцип дополнительности);

В-четвертых, современная физика признает существование ограничений на описание состояния объекта (принцип неопределенности); - в-пятых, релятивистская физика отказывается от моделей и принципов механистического детерминизма, сформулированного в классической философии и предполагавшего возможность описать состояние мира в любой момент времени, опираясь на знание начальных условий. Процессы в микромире описываются статистическими закономерностями, а предсказания в квантовой физике носят вероятностный характер. При всех различиях современная физика, так же как и классическая механика, изучает законы существования природы. Закон понимается как объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся и существенная связь между явлениями и событиями. Любой закон имеет ограниченную сферу действия . Это верно с точки зрения современного естествознания, но верно ли «с точки зрения вечности?» Ведь научная теория покоится на некоторой конечной области фактов. Вместе с тем универсальная теория претендует на описание бесконечного множества опытных ситуаций во все времена и в любой области мира. Даже такой простой эмпирический закон, как утверждение: «все тела при нагревании расширяются», должен охватывать не только те объекты, которые имеются в распоряжении исследователя, но и любые другие макрообъекты. То же, но в еще большей степени относится к таким фундаментальным закономерностям, как законы механики или уравнения Максвелла. А раз так, никогда не может быть уверенности в универсальной истинности теории. Если «доказать» универсальную истинность теории невозможно, даже имея в распоряжении сколь угодно большое число подтверждающих ее опытных фактов, то для доказательства неуниверсальности теории может быть достаточно всего одного факта, который ей противоречит !

Основываясь на всем ходе развития познания в 20 в. и на известных ленинских положениях об абсолютности и относительности истины, можно выдвинуть следующий тезис: любая в принципе опровержимая на опыте (фальсифицируемая) теория не только может быть опровергнута, но рано или поздно фактически опровергается в ходе развития научного познания. Точнее говоря, обнаруживается ограниченность области применимости, то есть неуниверсальность этой теории. Как пишет известный американский физик Дэвид Бом, если теория «высовывает голову», ей рано или поздно ее отрубят. Это же можно сказать и о пространственно-временных постулатах. Если можно указать воображаемую опытную ситуацию, при которой отсутствует некоторое свойство пространства-времени, то когда-нибудь неуниверсальность этого свойства будет открыта и в реальном эксперименте. Мы вполне можем теоретически представить себе миры, в которых пространство многомерно, время имеет обратное (по отношению к нашему) направление и т. д. Мы также можем указать, чем отличались бы эксперименты в этих предполагаемых ситуациях от наших обычных экспериментов. Конечно, изложенное решение проблемы носит слишком общий характер, так как оно верно лишь «с точки зрения вечности». Не исключено, что неуниверсальность привычных для нас свойств времени и пространства обнаружится лишь в отдаленном будущем, скажем через столетия или даже тысячелетия. Поэтому всегда требуется кроме философского конкретный методологический анализ проблемы универсальности того или иного свойства, опирающийся на физическую картину мира и современные физические теории. Необходимо ввести представление о “методологически универсальных” принципах, которые входят в современную физическую картину мира и во все строящиеся на ее основе физические теории.

Итак, можно сделать следующий вывод. Как показывает развитие познания, любые конкретно-научные принципы и теории имеют ограниченную область применимости и рано или поздно заменяются другими, более общими и адекватными. В связи с этим не может быть создана окончательная физическая теория или окончательная картина мира, ибо одна картина мира в истории физики сменяется другой, более полной, и так без конца. Например, распространение законов механики, оправдывающих себя в пределах макромира, на уровень квантовых взаимодействий недопустимо. Процессы, происходящие в микромире, подчиняются другим законам. Проявление закона зависит также от конкретных условий, в которых он, этот мир, реализуется, изменение условий может усилить или, напротив, ослабить действие закона. Действие одного закона корректируется и видоизменяется другими законами. Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями предмета. Иначе говоря, динамические закономерности повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Например, динамическими законами являются законы классической механики. Классическое естествознание абсолютизировало динамические закономерности. Совершенно верные представления о взаимной связи всех явлений и событий в философии 17 - 18 веков привели к неправильному выводу о существовании в мире всеобщей необходимости и об отсутствии случайности. Такая форма детерминизма получила название механистического. Механистический детерминизм говорит о том, что все типы взаимосвязи и взаимодействия механические и отрицает объективный характер случайности. Например, один из сторонников этого типа детерминизма, Б.Спиноза, считал, что мы называем явление случайным только вследствие недостатка наших знаний о нем. Следствием механистического детерминизма является фатализм - учение о всеобщей предопределенности явлений и событий, которое фактически сливается с верой в божественное предопределение. Проблема ограниченности механистического детерминизма особенно четко обозначилась в связи с открытиями в квантовой физике. Закономерности взаимодействий в микромире оказалось невозможным объяснить с точки зрения принципов механистического детерминизма. Сначала новые открытия в физике привели к отказу от детерминизма, однако позже способствовали формированию нового содержания этого принципа. Механистический детерминизм перестал ассоциироваться с детерминизмом вообще. М.Борн писал: «… что новейшая физика отбросила причинность, целиком необоснованно». Действительно, современная физика отбросила или видоизменила многие традиционные идеи; но она перестала бы быть наукой, если бы прекратила поиски причин явлений. Причинность, таким образом, не изгоняется из постклассической науки, однако представления о ней меняются. Следствием этого становятся трансформация принципа детерминизма и введение понятия статистических закономерностей. Статистические закономерности проявляются в массе явлений, и имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, так как они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает в результате взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма. Примерами статистических закономерностей являются законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий. Несмотря на то, что квантовая механика значительно отличается от классических теорий, общая для фундаментальных теорий структура сохраняется и здесь. Физические величины (координаты, импульсы, энергия, момент импульса и т.д.) остаются, в общем теми же, что и в классической механике. Основной величиной, характеризующей состояние, является комплексная волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения не только координаты, но и любой другой физической величины, а также средние значения всех величин. Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики - уравнение Шредингера - однозначно определяет эволюцию состояния системы во времени .

Известно, что в конце 19 века было объявлено, что законы классической физики успешно работают только в макромире, а в микромире работают другие – квантовые законы. Эта точка зрения была господствующей в течение всего ХХ века. И вот теперь, когда мы на базе законов классической физики выявили модели фотона, электрона, протона, нейтрона и принципы формирования ядер, атомов и молекул, то возникает вопрос: а не ошиблись ли физики прошлых поколений, похоронив возможности классической физики решать задачи микромира? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте внимательно проанализируем истоки недоверия к классической физике при поиске приемлемого варианта интерпретации экспериментальной информации об излучении абсолютно черного тела (рис. 119).

Все началось с установления закона излучения абсолютно черного тела (рис. 119). Вывод математической модели этого закона, выполненный Максом Планком в начале ХХ века, базировался на понятиях и представлениях, которые, как считалось, противоречат законам классической физики.

Рис. 119. а) графическая модель абсолютно черного тела;

b) – зависимость плотности излучения абсолютно чёрного тела от длины волны, излучаемых фотонов

Планк ввел в математическую модель закона излучения абсолютно черного тела константу с размерностью механического действия, что явно противоречило представлениям о волновой природе электромагнитного излучения. Тем не менее, его математическая модель достаточно точно описывала экспериментальные зависимости этого излучения. Введенная им константа указывала на то, что излучение идет не непрерывно, а порциями. Это противоречило закону излучения Релея - Джинса, который базировался на представлениях о волновой природе электромагнитного излучения, но описывал экспериментальные зависимости лишь в диапазоне низких частот (236), то есть больших длин волн излучения (рис. 119).

Прежде всего, приведем формулу Релея - Джинса, которая удовлетворительно описывает экспериментальную закономерность низкочастотного диапазона излучения (рис. 119). Основываясь на волновых представлениях об электромагнитном излучении, они установили, что энергия , заключенная в объёме абсолютно черного тела, определяется зависимостью

, (236)

где - частота излучения; - объём полости абсолютно черного тела (рис. 119); - скорость света; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура излучения.

Разделив левую и правую части соотношения (236) на объём , получим объёмную плотность электромагнитного излучения

. (237)

Вывод этой формулы базируется на представлении о существовании в замкнутой полости абсолютно черного тела (рис. 119, b) целого числа стоячих волн электромагнитного излучения с частотой .

Чтобы получить математическую модель, которая описывала бы весь спектр электромагнитного излучения абсолютно черного тела, Макс Планк постулировал, что излучение идет не непрерывно, а порциями так, что энергия каждой излученной порции оказывается равной , и формула для расчета плотности электромагнитного излучения абсолютно черного тела оказалась такой (рис. 119)

. (238)

Величина - константа с механической размерностью действия. Причем смысл этого действия в то время был совершенно неясен. Тем не менее, математическая модель (238), полученная Планком, достаточно точно описывала экспериментальные закономерности излучения абсолютно черного тела (рис. 119).

Как видно, выражение в формуле (238) играет роль некоторого существенного дополнения к формуле (237) Релея - Джинса, суть которого сводится к тому, что - энергия одного излученного фотона.

Поскольку в математической модели закона излучения абсолютно черного тела (238) присутствует математическая модель закона излучения Релея - Джинса (236), то получается, что планковский закон излучения абсолютно черного тела базируется на исключающих друг друга волновых и корпускулярных представлениях о природе излучения.

Несовместимость непрерывного волнового процесса излучения с парциальным процессом явилась веским основанием для признания кризиса классической физики. С этого момента физики начали полагать, что сфера действия законов классической физики ограничена макромиром. В микромире, считают они, работают другие, квантовые законы, поэтому физика, описывающая микромир, должна называться квантовой физикой. Следует отметить, что Макс Планк пытался разобраться со смесью таких физических представлений и вернуть их на классический путь развития, но ему не удалось решить эту задачу.

Спустя почти сто лет нам приходится констатировать, что граница между законами классической и квантовой физики до сих пор не установлена. По-прежнему испытываются значительные трудности при решении многих задач микромира и многие из них считаются не разрешимыми в рамках сложившихся понятий и представлений, поэтому мы вынуждены возвратиться к попытке Макса Планка выполнить вывод математической модели закона излучения абсолютно черного тела на основе классических представлений.

Конечно, чтобы глубже понять физический смысл планковского дополнения надо иметь представление о магнитной структуре фотона, так как в этой структуре скрыт физический смысл самой постоянной Планка . Поскольку произведение описывает энергии фотонов всей шкалы фотонных излучений, то в размерности постоянной Планка и скрыта магнитная структура фотона. Нами уже установлено, что фотон имеет такую вращающуюся магнитную структуру, центр масс которой описывает длину волны , равную его радиусу . В результате математическое выражение константы Планка принимает вид

Как видно, константа Планка имеет явную механическую размерность момента импульса. Хорошо известно, что постоянством момента импульса управляет закон сохранения момента импульса и сразу становится ясной причина постоянства постоянной Планка.

Прежде всего, понятие «закон сохранения момента импульса» является понятием классической физики, а точнее - классической механики. Он гласит, что если сумма моментов внешних сил, действующих на вращающееся тело, равна нулю, то момент импульса, действующий на такое тело остаётся постоянным по величине и направлению.

Конечно, фотон не является твердым телом, которое только вращалось бы без перемещения в пространстве, но он имеет массу и у нас есть все основания полагать, что роль массы у фотона выполняет вращающаяся относительно оси магнитная субстанция, которая вращается и перемещается в пространстве со скоростью света.

Из математической модели (239) постоянной Планка следует, что магнитная модель фотона должна быть такой, чтобы одновременное изменение массы , радиуса и частоты вращающихся магнитных полей фотона оставляло бы их произведение, отраженное в математическом выражении постоянной Планка (239), постоянным.

Например, с увеличением массы (энергии) фотона уменьшается длина его волны.Опишем повторно, как это изменение реализуется постоянной Планка (239) в модели фотона (рис. 15 и 16).

Поскольку постоянством константы Планка управляет закон сохранения момента импульса , то с увеличением массы фотона растет плотность его магнитных полей (рис. 15 и 16) и за счет этого увеличиваются магнитные силы , сжимающие фотон, которые все время уравновешиваются центробежными силами инерции, действующими на центры масс этих полей. Это приводит к уменьшению радиуса фотона, который всегда равен длине его волны . Но поскольку радиус в выражении постоянной Планка возводится в квадрат, то для сохранения постоянства постоянной Планка (239) частота колебаний фотона должна при этом увеличиться. В силу этого незначительное изменение массы фотона автоматически изменяет его радиус и частоту так, что момент импульса (постоянная Планка) остается постоянным.

Таким образом, фотоны всех частот, сохраняя свою магнитную структуру, меняют массу, частоту и радиус так, чтобы . То есть принципом этого изменения управляет закон сохранения момента импульса.

Если задаться вопросом: почему фотоны всех частот движутся в вакууме с одинаковой скоростью? То получается следующий ответ. Потому что изменением массы фотона и его радиуса управляет закон локализации фотонов таким образом, что при увеличении массы фотона его радиус уменьшается и наоборот.

Тогда для сохранения постоянства константы Планка при уменьшении радиуса частота должна пропорционально увеличиваться. В результате их произведение остаётся постоянным и равным . При этом скорость центра масс фотона (рис. 20, а) изменяется в интервале длины волны таким образом, что её средняя величина остаётся постоянной и равной и не принимает нулевых значений (рис. 20, а).

Таким образом, постоянством константы Планка управляет один из самых фундаментальных законов классической физики (а точнее - классической механики) - закон сохранения момента импульса. Это - чистый классический механический закон, а не какое - то мистическое кантовое действие, как считалось до сих пор. Поэтому появление постоянной Планка в математической модели закона излучения абсолютно черного тела не даёт никаких оснований утверждать о неспособности классической физики описывать процесс излучения этого тела. Наоборот, самый фундаментальный закон классической физики - закон сохранения момента импульса как раз и участвует в описании этого процесса.

Таким образом, планковский закон излучения абсолютно черного тела является законом классической физики и нет никакой нужды вводить понятие «Квантовая физика». Существует и классический вывод формулы (239) Планка. Он базируется на корпускулярных представлениях о структуре фотонов. Представляем этот вывод.

Так как излучение абсолютно черного тела представляет собой совокупность фотонов, каждый из которых имеет только кинетическую энергию , то мы должны ввести в математическую модель закона максвелловского распределения кинетическую энергию фотона и тепловую энергию совокупности излученных фотонов

. (240)

Далее, мы должны учесть, что фотоны излучаются электронами атомов при их энергетических переходах. Каждый электрон может совершать серию переходов между энергетическими уровнями, излучая при этом фотоны разной энергии. Поэтому полное распределение объёмной плотности энергий излученных фотонов будет состоять из суммы распределений, учитывающих энергии фотонов всех энергетических уровней. С учетом изложенного, закон Максвелла, учитывающий распределения энергий фотонов всех энергетических уровней атома, запишется так

где - главное квантовое число, определяющее номер энергетического уровня электрона в атоме.

Известно, что сумма ряда (241) равна

. (242)

Умножая правую часть формулы (242) на константу Планка и на коэффициент из формулы (236) Релея – Джинса, мы получим результат, описывающий закономерность изменения плотности фотонов в полости чёрного тела (рис. 119, a) от частоты фотонов или их длины волны (рис. 119, b)

. (243)

Это и есть закон излучения абсолютно черного тела (243), полученный Максом Планком в 1901г. Выражение (243) незначительно отличается от выражения (242) коэффициентом, который, как считалось до сих пор, учитывает число степеней свободы электромагнитного излучения абсолютно черного тела. По мнению Э.В. Шпольского его величина зависит от характера волн электромагнитного излучения и может изменяться от до . Однако, в рамках изложенных представлений переменный коэффициент

(244)

характеризует плотность фотонов в полости абсолютно черного тела. Более точное значение постоянной составляющей этого коэффициента можно определить экспериментально.

Таким образом, мы вывели закон излучения абсолютно черного тела (243), основываясь на чистых классических представлениях и понятиях, и видим полное отсутствие оснований полагать, что этот закон противоречит классической физике. Наоборот, он является следствием законов этой физики. Все составляющие математической модели планковского закона (238) излучения абсолютно черного тела приобрели давно присущий им четкий классический физический смысл.

Обратим особое внимание на то, что в спектре абсолютно чёрного тела присутствуют фотоны (рис. 15, 16 и 119) разных радиусов , а максимумы температур (2000 и 1500 град. С, рис. 119) формирует совокупность фотонов с определёнными радиусами, величины которых достаточно точно определяет формула Вина

. (245)

Например, максимум температуры 2000 С формирует совокупность фотонов с радиусами

Это - невидимые фотоны инфракрасного диапазона и у нас сразу возникает возражение. Опыт подсказывает нам, что температуру 2000 С формируют видимые фотоны светового диапазона. Такая точка зрения - яркий пример ошибочности наших интуитивных представлений. Поясним её суть на следующем примере.

Солнечный морозный зимний день с температурой минус 30 град. Цельсия с хрустящим снегом под ногами. Обилие солнечного света формирует у нас иллюзию максимального количества световых фотонов, окружающих нас, и мы готовы уверенно констатировать, что находимся в среде фотонов со средней длиной волны (точнее теперь со средним радиусом) светового фотона (табл. 2). Но закон Вина (245) поправляет нас, доказывая, что мы находимся в среде фотонов, максимальная совокупность которых имеет радиусы (длины волн), равные (табл. 2).

Как видите, наша интуитивная ошибка более двух порядков. В яркий солнечный зимний день при морозе минус 30 градусов мы находимся в среде с максимальным количеством не световых, а инфракрасных фотонов с длинами волн (или радиусами) .

Попутно отметим, что длины волн (радиусы) фотонов изменяются в интервале 16 порядков (рис. 15, 16). Самые большие радиусы () имеют фотоны реликтового диапазона (табл. 2), формирующие минимально возможную температуру вблизи абсолютного нуля, а самые маленькие () - гамма фотоны (табл. 2) вообще не формируют никакую температуру. Формированием структуры фотонов и их поведением управляют 7 констант.

Представленная информация убеждает нас в справедливости формулы Вина (245) и мы можем найти радиусы фотонов, совокупность которых формирует второй максимум температуры (рис. 119, b) в полости чёрного тела (рис. 119, а).

. (248)

Как видно (247 и 248), с увеличением температуры радиусы фотонов, совокупность которых формирует температуру, уменьшаются. Это значит, что температуру вблизи абсолютного нуля формируют фотоны, имеющие самые большие радиусы, и мы сейчас убедимся в этом (рис. 120).

Рис. 120: а) фото мизерной части Вселенной; b) зависимость плотности излучения Вселенной от длины волны: теоретическая – тонкая линия; экспериментальная – жирная линия

Считалось, что формула Вина (245) справедлива только для замкнутых систем (рис. 119, а). Однако, мы сейчас увидим, что она идеально описывает не только излучение абсолютно черного тела (рис. 119, а), как замкнутой системы, но и Вселенной – абсолютно незамкнутой системы (рис. 120, а).

Теоретическая зависимость плотности излучения Вселенной (рис. 120, b – тонкая линия) подобна зависимости плотности излучения абсолютно черного тела (рис. 119, а) описываемого формулой Планка (243).

Максимум излучения Вселенной зафиксирован экспериментально при температуре (рис. 120, b, точка А) и имеет длину волны . Формула Вина (245) даёт такой же результат

(249)

Это яркое доказательство того, что закон Вина справедлив не только для замкнутых систем, таких, как абсолютно чёрное тело (рис. 119, а), но для абсолютно незамкнутых, таких, как Вселенная (рис. 120, a).

Чтобы найти источник максимума излучения Вселенной (рис. 120, b, точки А и 3), обратим внимание на то, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из 73 процентов водорода, 24 процентов гелия и 3 процентов более тяжелых элементов. Это значит, что спектр Вселенной (рис. 120, b) формируют фотоны, излучаемые в основном рождающимися атомами водорода. Известно также, что рождение атомов водорода сопровождается процессом сближения электрона с протоном, в результате которого электрон излучает фотоны.

Совпадение теоретической величины длины волны (рис. 120, b, точка 3) с её экспериментальным значением (рис. 120, b, точка А), доказывает корректность использования формулы Вина (245) для анализа спектра излучения Вселенной.

Фотоны с длиной волны обладают энергией

Энергия соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания его на 108 энергетическом уровне. Она равна энергии фотона, излучённого электроном в момент установления контакта с протоном и начала формирования атома водорода.

Процесс сближения электрона с протоном ступенчатый. Он протекает при их совместном переходе из среды с высокой температурой в среду с меньшей температурой или, проще говоря, при удалении от звезд. Сближение электрона с протоном идёт ступенчато. Количество пропускаемых ступеней в этом переходе зависит от градиента температуры среды, в которой движется родившийся атом водорода. Чем больше градиент температуры, тем больше ступеней может пропустить электрон, сближаясь с протоном.

Естественно, что после формирования атомов водорода наступает фаза формирования молекул водорода, которая также должна иметь максимум излучения. Известно, что атомарный водород переходит в молекулярный в интервале температур .

Радиусы фотонов, излучаемых электронами атомов водорода при формировании его молекулы, будут изменяться в интервале:

; (251)

, (252)

cоответствующем интервалу длин волн фотонов, форирующих максимум в зоне точки С (рис. 120, b).

Таким образом, у нас есть основания полагать, что максимум излучения Вселенной, соответствующий точке С (рис. 120), формируется фотонами, излучаемыми электронами при синтезе атомов и молекул водорода.

Однако на этом не заканчиваются процессы фазовых переходов водорода. Его молекулы, удаляясь от звезд, проходят зону последовательного понижения температуры, минимальная величина которой равна Т=2,726 К. Из этого следует, что молекулы водорода проходят зону температур, при которой они сжижаются. Она известна и равна . Поэтому есть основания полагать, что должен существовать ещё один максимум излучения Вселенной, соответствующий этой температуре. Длина волны фотонов, формирующих этот максимум, равна

. (253)

Этот результат почти полностью совпадает с максимумом в точке на рис. 120 и доказывает, что спектр излучения Вселенной формируется процессами синтеза атомов и молекул водорода, а также - сжижения молекул водорода. Эти процессы идут непрерывно и не имеют никакого отношения к выдуманному Большому взрыву.

Как видно (246 - 253), формула Вина (245) справедлива не только для замкнутых систем, каким является полость абсолютно чёрного тела (рис. 119, а), но и для незамкнутых, подобных Вселенной.

Термин классическая физика относится к той физике, которая существовала до появления квантовой механики. Классическая физика включает ньютоновские законы движения частиц, теорию электромагнитного поля максвелла - Фарадея и общую теорию относительности Эйнштейна. Но это нечто большее, чем просто конкретные теории конкретных явлений; это ряд принципов и правил - базовая логика, подчиняющая себе все явления, для которых несущественна квантовая неопределенность
. Этот свод общих правил классической механикой называется.

Задача классической механики в предсказании будущего состоит. Великий физик восемнадцатого века Пьер - Симон Лаплас выразил это в знаменитой цитате:

"Состояние вселенной в данный момент можно рассматривать как следствие ее прошлого и как причину ее будущего. Мыслящее существо, которое в определенный момент знало бы все движущие силы природы и все положения всех объектов, из которых состоит мир, могло бы - если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать все эти данные, - выразить одним уравнением движение и самых больших тел во вселенной, и мельчайших атомов; для такого интеллекта не осталось бы никакой неопределенности и будущее открылось бы перед его взором точно так же, как и прошлое. В классической физике, если вы знаете все о состоянии системы в некоторый определенный момент времени, а также знаете уравнения, определяющие изменения, происходящие в системе, вы можете предсказать будущее. Именно это мы имеем в виду, говоря, что классические законы физики детерминистичны.

Простые динамические системы и пространство состояний.

Совокупность объектов (частиц, полей, волн - чего угодно) называется системой. Систему, представляющую собой всю вселенную или настолько изолированную от всего остального, что она ведет себя так, будто ничего больше не существует, называют замкнутой.

Чтобы почувствовать, что такое детерминистичность и обратимость, мы начнем с очень простого примера замкнутых систем. Они значительно проще тех вещей, которые мы обычно изучаем в физике, но они подчиняются правилам, которые являются предельно упрощенным вариантом классической механики. Представьте себе абстрактный объект, имеющий лишь одно состояние. Можно, например, представить монету, приклеенную к столу, которая всегда показывает свой аверс. На жаргоне физиков совокупность всех состояний, занимаемых системой, называется пространством состояний. Это не обычное пространство; это математическое множество, элементы которого соответствуют возможным состояниям системы. В нашем случае пространство состояний содержит лишь одну точку, а именно аверс (или просто а), поскольку система имеет лишь одно состояние. Предсказать будущее такой системы чрезвычайно просто: с ней никогда ничего не происходит, и результатом любого наблюдения всегда будет а.

Следующая по простоте система имеет пространство состояний, содержащее две точки; в этом случае у нас имеется один абстрактный объект и два возможных состояния. Можете представлять себе монету, выпадающую либо аверсом, либо реверсом (а или Р) - рис. 1. в классической механике считается, что системы изменяются плавно, без прыжков или перерывов. Такое поведение называют непрерывным. Очевидно, что из состояния аверс нельзя непрерывно перейти в состояние реверс. Движение в данном случае неизбежно происходит дискретными скачками. Так что давайте предположим, что время тоже идет дискретными шагами, которые нумеруются целыми числами. Мир с такой дискретной эволюцией можно стробоскопическим назвать.

Система, которая с ходом времени изменяется, называется динамической. Динамическая система - это не только пространство состояний. Она также включает закон движения, или динамический закон. Это правило, которое говорит, какое состояние станет следующим после текущего.

Один из простейших динамических законов состоит в том, что состояние в следующий момент будет таким же, как сейчас. Тогда в нашем примере возможны две истории: а. и Р. другой динамический закон диктует, что каким бы ни было текущее состояние, следующее за ним будет противоположным. Можно нарисовать диаграммы, иллюстрирующие эти два закона. На рис. 2 показан первый закон, когда а всегда переходит в а и стрелка от Р идет к Р. и вновь будущее очень легко предсказать: если начать с а, система останется в состоянии а; если начать с Р, система останется в Р.

Диаграмма для второго возможного закона на рис представлена. 3, где стрелки идут от а к Р и от Р к а. будущее по-прежнему можно предсказывать. Например, если начать с а, то история будет: а Р а Р а Р а Р а Р. если же начать с Р, получится история: Р а Р а Р а Р а ….

Можно также записать эти динамические законы в виде формул. Переменные, описывающие систему, называются степенями свободы. У нашей монеты одна степень свободы, которую можно обозначить греческой буквой сигма. Сигма только два возможных значения имеет? = 1 и? = - 1 соответственно для а и Р. нам также нужен символ для обозначения времени. Когда рассматривается непрерывное течение времени, его принято обозначать t. но у нас эволюция дискретна, и мы будем использовать n. состояние в момент n обозначается выражением (n), то есть значение? В момент n. параметр n последовательно принимает значения всех натуральных чисел, начиная с 1.

Запишем уравнения эволюции для двух рассматриваемых законов. Первый из них гласит, что никаких изменений не происходит. Его уравнение - (n 1) = (n. другими словами, каким бы ни было значение? На n - м шаге, то же значение будет и на следующем шаге.

Второе уравнение эволюции имеет вид (n 1) = - (n), что означает перемену состояния на каждом шаге.

Поскольку в обоих случаях будущее поведение полностью детерминировано начальным состоянием, такие законы называются детерминистическими. Все фундаментальные законы классической механики - детерминистические.

Давайте ради интереса обобщим систему, увеличив число состояний. Вместо монеты можно использовать шестигранную игральную кость, имеющую шесть воз - можных состояний (рис. 4.

Теперь число возможных законов значительно возрастает и их становится нелегко описать словами и даже формулами. Проще всего рассмотреть диаграмму вроде приведенной на рис. 5. из нее видно, что номер состояния, заданный в момент n, увеличивается на единицу в следующий момент n 1. это работает, пока мы не дойдем до состояния 6, где диаграмма предписывает вернуться в состояние 1 и повторить процесс. Такая бесконечно повторяющаяся схема называется циклом. Например, если начать с состояния 3, то история будет иметь вид: 3, 4, 5, 6, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 2, . назовем эту схему динамическим законом 1.

На рис. 6 показан другой закон - динамический закон 2. он выглядит несколько более запутанным, но логически он идентичен предыдущему: в обоих случаях система бесконечно обходит в цикле все шесть возможных состояний. Внимание! Только в том случае, если переименовать состояния, то динамический закон 2 станет точно таким же, как динамический закон 1.

Но не все законы логически эквивалентны. Рассмотрим, например, закон, показанный на рис. 7. этот динамический закон 3 имеет два цикла. Таким образом, если начать двигаться в одном из них, то невозможно попасть в другой. Тем не менее этот закон детерминистичен совершенно. С какого бы состояния вы ни начали, будущее остается предопределенным. Например, если начать с состояния 2, получится история: 2, 6, 1, 2, 6, 1, … и состояние 5 никогда не будет достигнуто. В случае если же начать с состояния 5, то история будет иметь вид: 5, 3, 4, 5, 3, 4, … и недостижимым окажется состояние 6.

На рис. 8 показан динамический закон 4 с тремя циклами.

Понадобилось бы много времени, чтобы нарисовать все возможные динамические законы в системе с шестью состояниями.

Правила, которые не разрешены: минус первый закон.

Согласно правилам классической физики допустимы не все законы. Для динамического закона недостаточно быть детерминистичным; он еще должен быть обратимым.

Смысл обратимости (в контексте физики) можно описать несколькими способами. Самый простой из них - сказать, что можно развернуть все стрелки и получившийся в результате закон останется детерминистичным. Другой способ - сказать, что закон детерминистичен как в прошлом, так и в будущем. Вспомним замечание Лапласа о том, что ". Для такого интеллекта не осталось бы никакой неопределенности, и будущее открылось бы перед его взором точно так же, как и прошлое". Можно ли придумать закон, который будет детерминистичным в будущем, но не в прошлом? Иными словами, можно ли привести пример необратимого закона? Да, можно. Рассмотрим рис. 9.

Закон, представленный на рис. 9, для любого состояния говорит, куда надо перейти дальше. В том случае, если вы находитесь в состоянии 1, то переходите в 2. если в 2, то в 3. если в 3, то в 2. нет никакой неоднозначности относительно будущего. Иное дело - прошлое. Допустим, вы находитесь в состоянии 2. где вы были в предыдущий момент? Вы могли прийти из состояния 3 или 1. диаграмма об этом ничего не говорит. Хуже того, если рассмотреть обратный закон, то окажется, что нет состояния, которое вело бы к 1; состояние 1 не имеет прошлого. Закон, изображенный на рис. 9, необратим. Он дает пример ситуации, запрещенной принципами классической физики.

Обратите внимание, что если развернуть стрелки на рис. 9, то получится закон, представленный рис. 10, который не может однозначно сказать, как двигаться в будущем.

Есть очень простое правило, говорящее, когда диаграмма представляет детерминистичный и обратимый закон. В случае если у каждого состояния есть ровно одна стрелка, ведущая к нему, и ровно одна стрелка, выходящая из него, то это допустимый детерминистичный обратимый закон. Сформулируем это в виде слогана: должна быть только одна стрелка, указывающая, откуда вы пришли, и только одна стрелка, указывающая, куда вам следует пойти.

Правило, согласно которому динамические законы должны быть детерминистичными и обратимыми, настолько важно для классической физики, что в учебных курсах о нем порой попросту забывают упомянуть. У него даже нет названия. Можно назвать его первым законом, но, к сожалению, у нас уже есть два первых закона - первый закон ньютона и первое начало термодинамики. Поэтому, чтобы обозначить приоритет, мы вынуждены будем отступить и обозначить этот принцип как минус первый закон, и это, несомненно, самый фундаментальный из всех физических законов - закон сохранения информации. Сохранение информации - это по сути правило, согласно которому у любого состояния есть одна входящая стрелка и одна исходящая. Тем самым гарантируется, что вы никогда не собьетесь с пути, откуда бы вы ни стартовали.

Динамические системы с бесконечным числом состояний.

До сих пор во всех наших примерах пространство состояний имело конечное число элементов. Но нет причин, мешающих нам рассмотреть динамическую систему с бесконечным числом состояний. Представьте себе, например, линию с бесконечным числом отдельных точек вдоль нее, подобно железнодорожной линии с бесконечной последовательностью станций в обоих направлениях. Допустим теперь, что некий маркер может в соответствии с некоторым правилом прыгать от одной точки к другой. Для описания такой системы мы пометим все точки вдоль линии целыми числами подобно тому, как нумеровали состояния в рассмотренных ранее примерах. Поскольку мы уже использовали букву n для дискретных шагов во времени, давайте использовать заглавную N для отслеживания маршрута. История маркера будет представлять собой функцию N (n), которая возвращает место N для каждого момента времени n. короткий участок этого пространства состояний изображен на рис. 11. очень простой динамический закон для такой системы показан на рис. 12. Он состоит в сдвиге маркера на одну позицию в положительном направлении с каждым шагом по времени.

Это правило допустимо, поскольку у каждого состояния только одна входящая стрелка и одна исходящая.

Такое правило нетрудно записать в форме уравнения:
(n 1) N = N (n) 1. (1).

А вот другие возможное правило:
(n 1) N = N (n) 2, (2).

По формуле (1), где бы ни началось движение, вы в конце концов доберетесь до любой точки, двигаясь либо в будущее, либо в прошлое. Можно сказать, что тут имеет место один бесконечный цикл. А вот по формуле (2), начав с нечетного значения N, вы никогда не попадете на четное, и наоборот. Поэтому мы говорим, что тут наличествуют два бесконечных цикла.

Можно также добавить к системе качественно иные состояния, создав с их участием дополнительные циклы, как показано на рис. 13. если начать с числа, то мы по-прежнему будем двигаться по верхней линии, как и на рис. 12. но если начать с буквы A или B, то мы закрутимся в цикле между ними. Так что возможна смешанная ситуация, когда в одних случаях мы обходим лишь некоторые состояния, а в других - движемся в бесконечность.

Циклы и законы сохранения.

Когда пространство состояний разделено на несколько циклов, система остается в том цикле, в котором начала движение. Каждый цикл имеет свой собственный динамический закон, но все они - часть одного пространства состояний, поскольку описывают одну динамическую систему. Рассмотрим систему с тремя циклами. Каждое из состояний 1 и 2 представляет собой отдельный цикл, а состояния 3 и 4 принадлежат третьему (рис. 14.

Всякий раз, когда динамический закон делит пространство состояний на подобные отдельные циклы, система "Запоминает", с какого состояния мы стартовали. Подобная память называется законом сохранения; он говорит нам, что нечто остается неизменным с течением времени. Чтобы придать закону сохранения количественную форму, припишем каждому циклу численное значение, обозначаемое Q. в примере на рис. 15 три цикла обозначены как Q = 1, Q = - 1 и Q = 0. каким бы ни было значение Q, оно всегда остается неизменным, поскольку динамический закон не позволяет перепрыгивать с одного цикла на другой. Проще говоря, значение Q сохраняется.

Пределы точности.

Лаплас был чрезмерно оптимистичен относительно предсказуемости мира даже в рамках классической физики. Он, конечно, согласился бы с тем, что для предсказания будущего потребуется идеальное знание управляющих миром динамических законов и чудовищная вычислительная мощь, которую он характеризовал как разум, который "Достаточно Обширен для Того, Чтобы Проанализировать все эти Данные". Но есть еще один момент, который он, возможно, недооценил: способность знать начальные условия с почти идеальной точностью. Представьте себе игральную кость с миллионом граней, которые помечены символами, похожими на обычные цифры, но слегка различающимися, так что получается миллион различимых меток. Таким образом, если знать динамический закон и суметь распознать начальную метку, то можно предсказать будущую историю кости. Но если титанический лапласовский интеллект страдает небольшими проблемами со зрением, из-за чего не различает очень похожие метки, то его предсказательная способность будет ограниченной.

В реальном мире все обстоит еще хуже; пространство состояний не просто необъятно по числу точек, оно непрерывно и бесконечно. Другими словами, оно размечено совокупностью вещественных чисел, вроде тех, что задают координаты частиц. Множество вещественных чисел столь плотно, что любое из них имеет бесконечное число сколь угодно близких соседей. Способность различать соседние значения этих чисел - это "Разрешающая Способность", характеризующая любой эксперимент, и для любого реального наблюдателя она ограничена. В большинстве случаев крошечные различия в начальных условиях (стартовом состоянии) приводят к значительным расхождениям в результатах. Это явление называют хаосом. Лишь в том случае, если система хаотическая (а таково большинство систем), то как бы велика ни была разрешающая способность, время, в течение которого система будет предсказуемой, ограничено. Идеальная предсказуемость недостижима просто потому, что мы ограничены в своей разрешающей способности. Л. сасскинд, Д. грабовски. Теоретический минимум.

Ученые с планеты Земля используют массу инструментов, пытаясь описать то, как работает природа и вселенная в целом. Что они приходят к законам и теориям. В чем разница? Научный закон можно зачастую свести к математическому утверждению, вроде E = mc²; это утверждение базируется на эмпирических данных и его истинность, как правило, ограничивается определенным набором условий. В случае E = mc² - скорость света в вакууме.

Научная теория зачастую стремится синтезировать ряд фактов или наблюдений за конкретными явлениями. И в целом (но не всегда) выходит четкое и проверяемое утверждение относительно того, как функционирует природа. Совсем не обязательно сводить научную теорию к уравнению, но она на самом деле представляет собой нечто фундаментальное о работе природы.

Как законы, так и теории зависят от основных элементов научного метода, например, создании гипотез, проведения экспериментов, нахождения (или не нахождения) эмпирических данных и заключение выводов. В конце концов, ученые должны быть в состоянии повторить результаты, если эксперименту суждено стать основой для общепринятного закона или теории.

В этой статье мы рассмотрим десять научных законов и теорий, которые вы можете освежить в памяти, даже если вы, к примеру, не так часто обращаетесь к сканирующему электронному микроскопу. Начнем со взрыва и закончим неопределенностью.

Если и стоит знать хотя бы одну научную теорию, то пусть она объяснит, как вселенная достигла нынешнего своего состояния (или не достигла, ). На основании исследований, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, теория Большого Взрыва постулирует, что Вселенная началась 14 миллиардов лет назад с массивного расширения. В какой-то момент Вселенная была заключена в одной точке и охватывала всю материю нынешней вселенной. Это движение продолжается и по сей день, а сама вселенная постоянно расширяется.

Теория Большого Взрыва получила широкую поддержку в научных кругах после того, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космический микроволновый фон в 1965 году. С помощью радиотелескопов два астронома обнаружили космический шум, или статику, которая не рассеивается со временем. В сотрудничестве с принстонским исследователем Робертом Дике, пара ученых подтвердила гипотезу Дике о том, что первоначальный Большой Взрыв оставил после себя излучение низкого уровня, которое можно обнаружить по всей Вселенной.

Закон космического расширения Хаббла

Давайте на секунду задержим Эдвина Хаббла. В то время как в 1920-х годах бушевала Великая депрессия, Хаббл выступал с новаторским астрономическим исследованием. Он не только доказал, что были и другие галактики помимо Млечного Пути, но также обнаружил, что эти галактики несутся прочь от нашей собственной, и это движение он назвал разбеганием.

Для того, чтобы количественно оценить скорость этого галактического движения, Хаббл предложил закон космического расширения, он же закон Хаббла. Уравнение выглядит так: скорость = H0 x расстояние. Скорость представляет собой скорость разбегания галактик; H0 - это постоянная Хаббла, или параметр, который показывает скорость расширения вселенной; расстояние - это расстояние одной галактики до той, с которой происходит сравнение.

Постоянная Хаббла рассчитывалась при разных значениях в течение достаточно долгого времени, однако в настоящее время она замерла на точке 70 км/с на мегапарсек. Для нас это не так важно. Важно то, что закон представляет собой удобный способ измерения скорости галактики относительно нашей собственной. И еще важно то, что закон установил, что Вселенная состоит из многих галактик, движение которых прослеживается до Большого Взрыва.

Законы планетарного движения Кеплера

На протяжении веков ученые сражались друг с другом и с религиозными лидерами за орбиты планет, особенно за то, вращаются ли они вокруг Солнца. В 16 веке Коперник выдвинул свою спорную концепцию гелиоцентрической Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Однако только с Иоганном Кеплером, который опирался на работы Тихо Браге и других астрономов, появилась четкая научная основа для движения планет.

Три закона планетарного движения Кеплера, сложившиеся в начале 17 века, описывают движение планет вокруг Солнца. Первый закон, который иногда называют законом орбит, утверждает, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите. Второй закон, закон площадей, говорит, что линия, соединяющая планету с солнцем, образует равные площади через равные промежутки времени. Другими словами, если вы измеряете площадь, созданную нарисованной линией от Земли от Солнца, и отслеживаете движение Земли на протяжении 30 дней, площадь будет одинаковой, вне зависимости от положения Земли касательно начала отсчета.

Третий закон, закон периодов, позволяет установить четкую взаимосвязь между орбитальным периодом планеты и расстоянием до Солнца. Благодаря этому закону, мы знаем, что планета, которая относительно близка к Солнцу, вроде Венеры, имеет гораздо более краткий орбитальный период, чем далекие планеты, вроде Нептуна.

Универсальный закон тяготения

Сегодня это может быть в порядке вещей, но более чем 300 лет назад сэр Исаак Ньютон предложил революционную идею: два любых объекта, независимо от их массы, оказывают гравитационное притяжение друг на друга. Этот закон представлен уравнением, с которым многие школьники сталкиваются в старших классах физико-математического профиля.

F = G × [(m1m2)/r²]

F - это гравитационная сила между двумя объектами, измеряемая в ньютонах. M1 и M2 - это массы двух объектов, в то время как r - это расстояние между ними. G - это гравитационная постоянная, в настоящее время рассчитанная как 6,67384(80)·10 −11 или Н·м²·кг −2 .

Преимущество универсального закона тяготения в том, что он позволяет вычислить гравитационное притяжение между двумя любыми объектами. Эта способность крайне полезна, когда ученые, например, запускают спутник на орбиту или определяют курс Луны.

Законы Ньютона

Раз уж мы заговорили об одном из величайших ученых, когда-либо живущих на Земле, давайте поговорим о других знаменитых законах Ньютона. Его три закона движения составляют существенную часть современной физики. И как и многие другие законы физики, они элегантны в своей простоте.

Первый из трех законов утверждает, что объект в движении остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Для шарика, который катится по полу, внешней силой может быть трение между шаром и полом, или же мальчик, который бьет по шарику в другом направлении.

Второй закон устанавливает связь между массой объекта (m) и его ускорением (a) в виде уравнения F = m x a. F представляет собой силу, измеряемую в ньютонах. Также это вектор, то есть у него есть направленный компонент. Благодаря ускорению, мяч, который катится по полу, обладает особым вектором в направлении его движения, и это учитывается при расчете силы.

Третий закон довольно содержательный и должен быть вам знаком: для каждого действия есть равное противодействие. То есть для каждой силы, приложенной к объекту на поверхности, объект отталкивается с такой же силой.

Законы термодинамики

Британский физик и писатель Ч. П. Сноу однажды сказал, что неученый, который не знал второго закона термодинамики, был как ученый, который никогда не читал Шекспира. Нынче известное заявление Сноу подчеркивало важность термодинамики и необходимость даже людям, далеким от науки, знать его.

Термодинамика - это наука о том, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Ее можно свести к нескольким базовым законам, которые Сноу обозначил следующим образом:

• Вы не можете выиграть.
• Вы не избежите убытков.
• Вы не можете выйти из игры.

Давайте немного разберемся с этим. Говоря, что вы не можете выиграть, Сноу имел в виду то, что поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не потеряв второе (то есть E=mc²). Также это означает, что для работы двигателя вам нужно поставлять тепло, однако в отсутствии идеально замкнутой системы некоторое количество тепла неизбежно будет уходить в открытый мир, что приведет ко второму закону.

Второй закон - убытки неизбежны - означает, что в связи с возрастающей энтропией, вы не можете вернуться к прежнему энергетическому состоянию. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет стремиться к местам более низкой концентрации.

Наконец, третий закон - вы не можете выйти из игры - относится , самой низкой теоретически возможной температуре - минус 273,15 градуса Цельсия. Когда система достигает абсолютного нуля, движение молекул останавливается, а значит энтропия достигнет самого низкого значения и не будет даже кинетической энергии. Но в реальном мире достичь абсолютного нуля невозможно - только очень близко к нему подойти.

Сила Архимеда

После того как древний грек Архимед открыл свой принцип плавучести, он якобы крикнул «Эврика!» (Нашел!) и побежал голышом по Сиракузам. Так гласит легенда. Открытие было вот настолько важным. Также легенда гласит, что Архимед обнаружил принцип, когда заметил, что вода в ванной поднимается при погружении в него тела.

Согласно принципу плавучести Архимеда, сила, действующая на погруженный или частично погруженный объект, равна массе жидкости, которую смещает объект. Этот принцип имеет важнейшее значение в расчетах плотности, а также проектировании подлодок и других океанических судов.

Эвoлюция и естественный отбор

Теперь, когда мы установили некоторые из основных понятий о том, с чего началась Вселенная и как физические законы влияют на нашу повседневную жизнь, давайте обратим внимание на человеческую форму и выясним, как мы дошли до такого. По мнению большинства ученых, вся жизнь на Земле имеет общего предка. Но для того, чтобы образовалась такая огромная разница между всеми живыми организмами, некоторые из них должны были превратиться в отдельный вид.

В общем смысле, эта дифференциация произошла в процессе эволюции. Популяции организмов и их черты прошли через такие механизмы, как мутации. Те, у кого черты были более выгодными для выживания, вроде коричневых лягушек, которые отлично маскируются в болоте, были естественным образом избраны для выживания. Вот откуда взял начало термин естественный отбор.

Можно умножить две этих теории на много-много времени, и собственно это сделал Дарвин в 19 веке. Эволюция и естественный отбор объясняют огромное разнообразие жизни на Земле.

Общая теория относительности

Альберта Эйнштейна была и остается важнейшим открытием, которое навсегда изменила наш взгляд на вселенную. Главным прорывом Эйнштейна было заявление о том, что пространство и время не являются абсолютными, а гравитация - это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее гравитация связана с тем, что масса искривляет само пространство и время (пространство-время).

Чтобы осмыслить это, представьте, что вы едете через всю Землю по прямой линии в восточном направлении, скажем, из северного полушария. Через некоторое время, если кто-то захочет точно определить ваше местоположение вы будете гораздо южнее и восточнее своего исходного положения. Это потому что Земля изогнута. Чтобы ехать прямо на восток, вам нужно учитывать форму Земли и ехать под углом немного на север. Сравните круглый шарик и лист бумаги.

Пространство - это в значительной мере то же самое. К примеру, для пассажиров ракеты, летящей вокруг Земли, будет очевидно, что они летят по прямой в пространстве. Но на самом деле, пространство-время вокруг них изгибается под действием силы тяжести Земли, заставляя их одновременно двигаться вперед и оставаться на орбите Земли.

Теория Эйнштейна оказала огромное влияние на будущее астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую и неожиданную аномалию орбиты Меркурия, показала, как изгибается свет звезд и заложила теоретические основы для черных дыр.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Расширение теории относительности Эйнштейна рассказало нам больше о том, как работает Вселенная, и помогло заложить основу для квантовой физики, что привело к совершенно неожиданному конфузу теоретической науки. В 1927 году осознание того, что все законы вселенной в определенном контексте являются гибкими, привело к ошеломительному открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга.

Постулируя свой принцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высоким уровнем точности два свойства частицы. Вы можете знать положение электрона с высокой степенью точности, но не его импульс, и наоборот.

Позже Нильс Бор сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор выяснил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны. Концепция стала известна как корпускулярно-волновой дуализм и легла в основу квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы определяем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем импульс, мы рассматриваем электрон как волну, а значит можем знать амплитуду ее длины, но не положение.