Физика

Картина мира классической физики

Физику, сформировавшуюся к началу ХХ века, принято называть классической. За два с лишним столетия ее ошеломительных успехов сложилось убеждение, что это абсолютно истинная и единственно верная научная теория, не имеющая границ применимости. Казалось, что на ее основе можно объяснить все явления природы.

Попробуем широкими мазками описать картину мира глазами классической физики.

В природе существуют две принципиально разные формы материи — частицы (электроны и атомы) и электромагнитное поле. Частицы дискретны, а поле непрерывно и заполняет всё пространство. Заряженные частицы порождают поле, а поле воздействует на частицы. Электромагнитное поле всё время изменяется, а частицы (электроны и атомы) вечны и неизменны. Как мы видим, уже в самой основе этой картины заложена двойственность: частицы и поля, хотя и взаимодействуют между собой, выступают как носители принципиально различных свойств.

Движение всех частиц однозначно и точно может быть предсказано на основе законов Ньютона и знания законов взаимодействия частиц и действия на них полей. Состояние и эволюция поля также однозначно и точно предсказываются на основе уравнений Максвелла. Другими словами, весь мир классической физики принципиально предсказуем, то есть детерминирован. В принципе, обладая полным знанием о состоянии всех частиц и полей в один какой-то момент времени, можно однозначно предсказать состояние Вселенной в любой другой момент, как в будущем, так и в прошлом.

Что касается пространства и времени, то до 1905 года, в рамках чисто классической физики, они представлялись существующими независимо друг от друга и от материи. Однако теории относительности Эйнштейна (специальная и общая) показали, что пространство и время связаны в «один узел», а также связаны с материей, которая определяет и кривизну пространства, и ход времени. Но однозначность и точность предсказаний, то есть детерминизм, теории относительности не отменили!

Лишь квантовая физика, родившаяся на рубеже XIX-XX веков, освободила нас от груза детерминизма и сделала мир совершенно невероятным и непредсказуемым — можно сказать, подарила нам свободу воли.

В конце XIX века молодой аспирант Макс Планк, будущий основатель квантовой физики, пришёл к своему профессору Филиппу Жолли и сказал, что хочет заниматься теоретической физикой. Тот ему ответил: «Молодой человек, зачем вы хотите испортить себе жизнь — ведь теоретическая физика уже в основном закончена. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?»

 

А в апреле 1900 года 76-летний «патриарх» физики, лорд Кельвин (Уильям Томсон) прочел в Лондонском Королевском институте лекцию «Тучи XIX века над теорией теплоты и света», в которой указал на некоторые проблемы классической физики и заключил, что «проще всего не обращать внимания на существование этих туч».

 

Через несколько лет одна из кельвиновских «туч» привела к созданию теории относительности Эйнштейна. А другая «туча» стала толчком к рождению квантовой физики. Уже в декабре 1900 года, через несколько месяцев после лекции лорда Кельвина, Макс Планк, пытаясь разобраться с законами теплового излучения, выдвинул первые квантовые гипотезы. Так родилась квантовая физика.

Физика макромира

Мы начнем наше физическое путешествие с макромира — того единственного уровня, который мы способны воспринимать непосредственно. На этом уровне материя представлена телами, состоящими из неисчислимого количества частиц (атомов и молекул), и электромагнитными полями.

Физика макромира подразделяется на несколько разделов:

• Механика изучает законы движения и взаимодействия тел.
• Молекулярная физика и термодинамика сосредоточены на исследовании тепловых явлений.
• Электродинамика — на изучении электромагнитных полей.
• Оптика — учение о свете и его взаимодействии с веществом.

Все разделы в той или иной мере связаны друг с другом.

Для понимания физических законов макромира понадобилось три столетия развития классической физики. Квантовая физика смогла описать уровень микромира всего за сто лет. Интересно, сколько времени потребуется физикам и математикам на постижение законов «планковского уровня» (назовем так Вселенную масштаба планковской длины, за неимением общепринятого термина)?

И действительно ли это последний, самый глубинный структурный уровень организации материи? Сегодня мы не знаем ответа на этот вопрос.

Физика в XXI веке представляется гораздо дальше от своего завершения, чем это казалось в конце XIX века. И возможно ли вообще завершение?

Мегамир

Устройство Вселенной волнует любого думающего человека. К тому же мы живем в очень интересную эпоху, когда на наших глазах происходят удивительные открытия. Свойства и эволюцию Вселенной изучает наука космология — детище физики и астрономии.