<<< Раздел  Космология : >>>
  > Классическая физика и ее парадоксы Стр. 1

1. Космология            

1.4. Классическая физика и ее парадоксы            

          Фейнман в своих лекциях суммировал все основные законы классической физики следующим образом:

          1. Уравнения Максвелла

I. Поток электрического поля через замкнутую поверхность равен плотности заряда внутри неё, делённую на диэлектрическую проницаемость вакуума :
               ,     где .
II. Интеграл от потока электричекого поля по замкнутому контуру равен производной по времени от потока магнитного поля сквозь контур c отрицательным знаком:
               .
III. Поток магнитного поля через замкнутую поверхность равен нулю:
               .
IV. Интеграл от потока магнитного поля по контуру, умноженный на скорость света , равен току в контуре j , деленному на , плюс частную производную по времени от потока электрического поля сквозь контур:
               .
          2. Закон сохранения заряда следует из I и IV

Поток заряда через замкнутую поверхность равен частной производной по времени от заряда внутри нее с отрицательным знаком:
               .
          3. Закон силы, действующий на заряд двигающийся в электрическом и магнитном
              полях со скоростью :

               .
          4. Закон движения Ньютона для конденсированного вещества:

               ,      где .
          4.1. Закон движения Ньютона, дополненный Эйнштейном для элементарных частиц
                (неконденсированного вещества):
               , где .
          5. Закон тяготения Ньютона – гравитация:

               .

 
  Наверх

  > Классическая физика и ее парадоксы  (продолжение) Стр. 2

В начале ХХ века выяснилось, что классическая механика Ньютона имеет ограниченную область применимости и нуждается в обобщении.
Во-первых, она не приемлема при скоростях движения тел, сравнимых со скоростью света. Здесь ее заменила релятивистская механика, построенная на основе СТО и ОТО.
Во-вторых, было обнаружено две группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установленной на опыте двойственной природой света – его дуализмом, т.е., проявлением светом свойств как частицы, так и волны. Вторая группа явлений связана с невозможностью объяснить на основе классических представлений существования устойчивых атомов, а также их оптические спектры. Установления связи между этими группами явлений и попытки их объяснений и привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.
Первые квантовые представления были введены в 1900 г. М. Планком (M. Planck) при объяснении теплового излучения абсолютно чёрного тела, который предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями излучения – квантами.
От работы Планка можно проследить две взаимосвязанные линии развития, завершившиеся в 1927 г. окончательной формулировкой квантовой механики в двух ее формах. Первое направление, основанное на представлении частиц в виде волны, представлено в нерелятивистской форме – в теории Шредингера (E. Schrodinger) и в релятивистской форме – в теории П. Дирака (P.A.M. Dirac). Вторая линия развития (также являющаяся обобщением теории Планка) была развита в работах Никольсона и Бора, которые применили идею квантования энергии к строению атома. Согласно модели Никольсона в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого на квантованных орбитах вращаются отрицательно заряженные электроны в виде колец. В модели Бора электроны выглядели, как точечные элементарные частицы. Для объяснения устойчивости атома Бор предположил, что излучение фотонов электронами в атоме подчиняется квантовым законам, связанным с постоянной Планка.
Квантовая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения физических систем, для которых величины, характеризующие систему и имеющие размерность действия, оказываются сравнимы с постоянной Планка. В настоящее время считается, что этому условию удовлетворяет движение элементарных частиц и макроквантовые эффекты в сверхтекучем гелии.
Физической основой квантовой механики являются постулаты о корпускулярно-волновом дуализме и принципе суперпозиции состояний. В этом случае теория движения микрочастиц учитывает наличие у них волновых свойств. Отказ от полностью детерминированного описания движения отдельной частицы и переход к вероятностному описанию, адекватному принципу суперпозиции состояний, позволяет совместить волновые и корпускулярные свойства материи. Однако подчеркнем, что в вероятностном описании квантовой механики лежит чуждое классической теории вероятности понятие амплитуды вероятности.

 
  Наверх

  > Классическая физика и ее парадоксы  (продолжение) Стр. 3

Как любая теория, построенная на постулатах, квантовая механика породила и свои парадоксы. Некоторые из них по существу ставят в тупик развитие науки в целом. Например, длина волны де Бройля:
            = h /  mv ,   где m – масса тела, v – его скорость,
являющаяся фундаментальным понятием квантовой механики имеет смысл вероятности нахождения тела во всем объеме, определяемом Если m – масса электрона, а v стремится к нулю, то электрон с определенной вероятностью можно найти в объеме, соизмеримом с галактикой. При этом, если будет произведена регистрация его в этом объеме, то электрон вынужден будет свернуться в регистрируемую точку с бесконечно большой скоростью. Таким образом, в квантовой механике автоматически вводится принцип дальнодействия. То есть, постулируется, что волна вероятности может распространяться с бесконечно большой скоростью.
Второй парадокс квантовой механики связан с возможностью одновременного нахождения элементарной частицы сразу в двух или более местах, то есть, наличие корреляции между различными измерениями в разных точках, разделенных пространственно подобными интервалами – парадокс Эйнштейна – Подольского – Розина. Он фактически также подразумевает скорость вероятности, значительно превышающую скорость света.
Третий парадокс – нелокальное воздействие на частицу, эффект Ааронова – Бома. Здесь движение частицы не определяется локальным действием на него силовых полей, т.е. электрон также размыт в пространстве по вероятности и интерферирует сам с собой.
Основным недостатком квантовой механики, также как и классической является возможность точного аналитического решения только для системы двух взаимодействующих тел. Точных аналитических решений для системы из трех или более тел уравнение Шредингера не имеет. Фактически единственными точными решениями уравнения Шредингера являются осциллятор и водородоподобный атом. Уже при переходе к описанию энергетического состояния гелия и, тем более, других атомов, возникли непреодолимые математические сложности, аналогичные ньютоновскому описанию движения планет в солнечной системе. Поэтому, также были разработаны приближенные методы квантовой механики – теория возмущений. С помощью этой теории приближенно удалось рассчитать спектры атомов и молекул. Но на этом квантовая механика себя исчерпала.
В рамках квантовой механики была предпринята попытка Великого объединения, т.е. объединить четыре известных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное, представив их квантовыми полями. Здесь поле представляет собой своеобразный синтез понятия классического поля типа электромагнитного и поля вероятности квантовой механики. По современным представлениям квантовое поле является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее конкретных проявлений. Тем самым, возник новый физический объект – квантовое поле, удовлетворяющее уравнениям классической электродинамики, но имеющее своими значениями квантово-механические операторы. Однако и здесь, как и в целом в квантовой механике, возникли серьезные математические трудности, по существу связанные с неадекватностью используемой картины мира с существующей.

 
  Наверх

  > Классическая физика и ее парадоксы  (продолжение) Стр. 4

По существу, к девяти известным парадоксам космологии, на которых мы останавливались выше, добавился еще ряд парадоксов, вытекающих из квантовой механики.
В существующих курсах и учебниках по физике, астрономии и космологии в большинстве случаев отсутствует постановка проблемы парадоксов и необходимости их решения. Без понимания этого невозможно говорить о развитии астрономии как науки дальше.
Поэтому попробуем в этой работе показать один из возможных путей решения этих парадоксов. Этот путь будет основываться на совершенно ином подходе к пониманию пространства, окружающего нас. Из многомерного мира мы уйдем в одномерный и двумерный миры. А уже из этих миров мы сконструируем – отобразим – наш трехмерный мир.
В нашем подходе мы отказываемся от математического аппарата бесконечно малых величин (дифференциального и интегрального исчисления, разработанных еще Ньютоном и Лейбницем и большой школой их последователей). Мы будем пользоваться аппаратом конечно малых величин и конечных сумм, так как пространства у нас являются дискретными, конечными и локально связанными. При этом локально связанные пространства могут переходить в бесконечно связанные трехмерные пространства, образуя наш осязаемый мир и Вселенную.
Под понятием пространства мы будем понимать абсолютный вакуум с вносимым в него конечным числом масс. В результате чего вокруг каждой массы образуются электромагнитные и гравитационные поля, имеющие дискретную природу. В этом случае структура самого поля создает расслоение пространства. То есть, каждый слой пространства имеет конкретную физическую природу. Взаимодействие между телами происходит непрерывно на ограниченном расстоянии, и минимум энергии взаимодействия возможен только на конкретном слое. При большом количестве случайно расположенных масс слои полей аддитивно перекрывают друг друга и фактически смазывают дискретную структуру полей.
Дискретность структуры полей и пространства хорошо просматривается вблизи одиночных объектов, например, атомов или звезд.
Мы не претендуем на всеобъемлющее теоретическое обобщение всех экспериментальных и теоретических результатов, так как это глобальная задача, не решаемая в рамках маленького коллектива. Поэтому выберем наиболее интересные с точки зрения автора проблемы и парадоксы, стоящие на пути Великого объединения и, в первую очередь, объединения гравитационного и электромагнитного полей на квантовой основе без применения вероятностного подхода.

 
  > Описание структуры пространства. Полевой подход  (следующая глава) Наверх