Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Существуют три версии временного соотношения между причиной и следствием: 1) сначала возникает причина, а за ней сразу же следствие (большая "теснота" связи"); они непереставимы и неодновременны - "классическая" концепция; 2) в условиях близкодействия и конечной скорости взаимодействия между причиной и следствием есть интервал; 3) причина и следствие одновременны: зарождение причины сразу же вызывает появление следствия и тогда причина "затухает" в своем следствии. Можно привести немало аргументов в пользу той или другой версии. По-видимому их выполнимость зависит от природы компонентов и условий взаимодействия. Так, в элементарных частицах причинность реализуется безотносительно к критерию "раньше - позже" и приходится, учитывая требования принципа наблюдаемости, говорить о "комке событий". Качественно - количественные отношения соотношения и меры возможного и действительного характеризуют понятием вероятности, которое получило соответствующее выражение в математических формах в теории вероятностей.

В массовой литературе до сих  пор не всегда и очень немного  говорится о категории невозможности и "приципах запрета". Между тем, они играют огромную роль в науке, в научном познании и практике. Последние указывают на физическую невозможность и ограничения возможности каких-либо явлений или состояний, процессов. Так, законы сохранения энергии и импульса в физике запрещают любые процессы, в которых нарушались бы эти законы сохранения. В принципе, любой закон науки запрещает все возможности, которые не соответствуют этому закону. Различают объективную невозможность и теоретическую невозможность. Фактически перед нами тройка связанных друг с другом категорий возможности, невозможности и действительности.

Одним из самых острых вопросов Д. является вопрос о сущности случайности в ее связи с необходимостью и причинностью. Правда, определения необходимости как непреложности, как того, что обусловлено всем предшествующим развитием и должно непременно произойти, не вызывают особых споров. Случайное можно трактовать как то, что не вытекает из внутренней закономерности, а следует из внешних связей и отношений, длящихся к тому же кратко и действующих неустойчиво, спорадически. Случайность как бы не имеет оснований в главных и существенных детерминирующих факторах, а лишь в чем до дополнительном, частном. Подобный подход восходит к Аристотелю и Гегелю. Однако было бы ошибкой отказывать случайности иметь причину в себе самой или разделять необходимость и случайность как внутреннее и внешнее, хотя это в каких-то аспектах и так. В.П.Бранский показал, что необходимое связано с причинами устойчивыми, постоянно и однообразно действующими, а случайное - результат перекрещивания причинных цепей, к тому же развивающихся неустойчиво, нерегулярно, неоднообразно, так что событие (следствие) может наступить, а может и не наступить. В целом различие случайного и необходимого относительно и подвижно. Примеры из теории естественного отбора показывают как накопление случайных различий у организмов в ходе естественного отбора приводят к изменениям необходимых видовых признаков и возникновению новых. Все это присходит под влиянием наследственности. Можно говорить, что нет случайности и необходимости вообще, а лишь в определенном и конкретном отношении. Так, по данным небесной механики, электрофизики и др. динамические законы действуют в самой действительности в сочетании с законами случайности (Г.Я.Мякишев). Случайное выражает свой аспект необходимости в форме так называемых "функций распределения" (Максвелла, Больцмана). В самой действительности случайное происходит с необходимостью так, что с этим приходится считаться в самой организации жизни и ее планировании все время.

В науке существует точка  зрения, что статистические законы нельзя вывести на основе законов  однозначной детерминированности. Но физики XIX в. были абсолютно убеждены, что это можно сделать. Однако в XX в. выяснилось, что статистичность не имеет отношения к вопросу о неполноте знания или допущении "беспричинности". Статистические законы не "лучше" и не "хуже" динамических. Вместе с тем, надо сказать, что дискуссии о "скрытых" параметрах в квантовой физике не прекращаются. В этой связи надо указать на доказанную фон Нейманом теорему о полноте квантовой механики как теории. Но и ее подвергают критике. В целом, существует три различных объяснения статистичности квантовой теории: 1) школы Де Бройля, сводящую статистические законы к динамическим; 2) концепция квантовых ансамблей, которая восходит к идеям Эйнштейна, Борна, Мандельштама и развита далее в концепциях К.Никольского и Д.Блохинцева; 3) Копенгагенская - Бора, уточненная Фоком, принимающая статистичность как объективное свойство объектов микромира. Последняя из них и является наиболее распространенной среди физиков. Однако результаты физики высоких энергий и квантовой хромодинамики заставляют думать, что универсальность каждой из них ограничена и относительна.

Важной категорией Д. является понятие "связи состояний". В нашей литературе его ввел Г.А.Свечников. Было показано, что изучение связи состояний дает ответ не на вопрос почему произошло то ли иное событие, а на вопрос как протекает процесс, от чего к чему. Понятие "состояния" восходит к Аристотелю и Лебницу, оно приобрело фундаментальный характер в современной физике. Это понятие тестно связано с категориями бытия, существования, количества, качества, меры, свойства и др. Оно обозначает качественно - количественную меру реализации бытия объекта в данный момент времени, в науке оно отображается в виде совокупности сущностных параметров данного объекта. В широком смысле связь состояний может быть представлена и безотносительно к причинности (непричинная связь), как это имеет место в функциональной связи.

Функциональная  связь, хорошо изучена в разных формах в математике. В науке в свое время Э.Мах предлагал выбрость понятие причинности и заменить его понятием функции как более общей формой описания последовательных состояний, безотносительной к субстрату и содержанию отношений между А и В. Вместе с тем, математике известно огромное число всевозможных функций и функций от функций (функционалов). Их можно обобщенно представлять при помощи многомерных функциональных пространств, где равноправно будет присутствовать время. Безусловно, это очень удобное, сжатое и эвристически ценное выражение подобных отношений. Зная начальные условия, форму функции и интервал существования можно количественно точно отобразить некое конечное искомое состояние в шкале времени. Подобные зависимости удобны и как формы выражения связи причин со следствиями, а также связи состояний во времени и пространстве. Здесь может быть действительно совпадение форм связи как, например, траекторий движения и связи событий, выражающих закон эволюции объекта. Однако, это не означает, что таким образом мы всегда выражаем все содержание причинности и т.п. К примеру, связь сосуществующих характеристик, выраженная функцией, может и не означать на деле причинную связь. Так, в законе Бойля - Мариотта давление и объем не являются причинами друг друга, хотя они связаны функционально в формуле pV = Const. Проще говоря, здесь все же требуется содержательный анализ, а не формальное понимание такого сходства. Заметим, что математика способна выразить разные виды связей, включая непрерывные, одно и многозначные, много - многозначные, разрывные и интервальные, прямые и обратные, положительные и отрицательные (как в теориях управления), другие связи. С этими фактами связаны попытка формализовать теорию причинности.

Корреляционная  связь выражает количественно определенное соотнесение объектов, свойств, состояний и т.п., их соответствие друг другу при изменениях, параллельность при наличии слабой тесноты связи, нередко, вызванной наличием промежуточных объектов и большой временной дистанции. Это своеобразное, эхо, отклик одного на другое, который может быть выражен математически в формулах корреляции. Аппарат корреляционного анализа тесно связан с вероятностным анализом и статистикой. Термин корреляция предложил в свое время Ж.Кювье, а обосновал важность этого метода для биологии в 1846 г. французский биолог Браво. Корреляционный анализ затем нашел широкое применение в экономической теории и практике, в социологии и др.

Телеономия развивается в основном в биологических и смежных науках (Уоддингтон и др.). Здесь фактический термин "цель" как бы подменятся чем-то целеподобным. Он нередко критикуется как паллиатив телеологии религиозной или как ее протаскивание в науку.

Научная телеология, если ее развить основательно, представляется как наиболее развитая часть Д. Термин "телеология" в данной интерпретации был предложен, например, Филатовым. Отмечают, что такая телеология нашла свое отражение в результатах кибернетики, теорий управления, принятия решений, конфликтологии, теории сложных систем, оптимологии, праксеологии и др. Ее роль в развитии Д. может выглядеть как переход от темпорального и многопараметрического описания детерминистских зависимостей, характерных для человека и бихевиоральных систем, путем редукции тесноты связей, интенсивностей и т.п. ко все более простым и жестким формам зависимостей и изменения элементов внутри целого. Это - переход от общих форм корреляции и связи состояний, от субъективной цели к природным алгоритмам живой природы, а от них к естественным причинам в их вероятностном, а затем и в жестком вариантах, описываемых в рамках обобщенного пространства и времени

2. Дайте характеристику четырех типов фундаментальных взаимодействий в природе: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.

   Современные  достижения физики высоких энергий  все больше укрепляют представление,  что многообразие свойств Природы  обусловлено взаимодействующими  элементарными частицами. Дать  неформальное определение элементарной  частицы, по-видимому, невозможно, поскольку  речь идет о самых первичных  элементах материи. На качественном  уровне можно говорить, что истинно  элементарными частицами называются  физические объекты, которые не  имеют составных частей.  
    Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон.  
    Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.  
    Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.  
    Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.  
    В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий. Мы последовательно рассмотрим основные проявления фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное  взаимодействие

    Это взаимодействие  носит универсальный характер, в  нем участвуют все виды материи,  все объекты природы, все элементарные  частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного  взаимодействия является эйнштейновская  общая теория относительности.  Гравитация определяет движение  планет в звездных системах, играет  важную роль в процессах, протекающих  в звездах, управляет эволюцией  Вселенной, в земных условиях  проявляет себя как сила взаимного  притяжения. Конечно, мы перечислили  только небольшое число примеров  из огромного списка эффектов  гравитации.  
    Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.  
    Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением

где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного  взаимодействия. Данное соотношение  показывает, что потенциальная энергия  взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает  к нулю очень медленно. По этой причине  говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.  
    Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.  
    Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса

Rg = 2GM / c2,

где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь  внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает  область пространства, в которую  можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование  черных дыр является одним из теоретических  предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.  
    В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.  
    Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

Электромагнитное  взаимодействие

    В электромагнитном  взаимодействии участвуют все  заряженные тела, все заряженные  элементарные частицы. В этом  смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного  взаимодействия является максвелловская  электродинамика. В качестве константы  связи принимается заряд электрона  e.  
    Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.  
    Классические проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом: