Фізика  і  астрономія

Основні риси сучасної наукової картини світу

Тепер, коли ви ознайомились з основами сучасної фізики, доречно озирнутися на пройдений шлях та гранично стисло узагальнити погляди цієї науки на устрій того, що прийнято називати Природою, або, в більш вузькому сенсі – Всесвітом.

За просторовими масштабами тих об’єктів які є складовими частинами Всесвіту, його умовно розділяють на мікросвіт, макросвіт та мегасвіт. Мікросвіт утворюють ті матеріальні об’єкти розміри яких не перевищують  10-7м. До числа таких об’єктів відносяться молекули, атоми, атомні ядра та все різноманіття елементарних частинок. Макросвіт утворюють ті матеріальні об’єкти, розміри яких знаходяться в межах від 10-7м до 1020м. До числа таких об’єктів відносять все різноманіття тіл починаючи від мікроскопічних монокристалів та вірусів і закінчуючи планетами, зірками та планетарними системами. Мегасвіт утворюють ті матеріальні об’єкти лінійні розміри яких перевищують 1020м (10 000 світлових років). Цими об’єктами є галактики, метагалактики та Всесвіт в цілому. 

Мікро-, макро- та мега- світи, відрізняються не лише просторовими масштабами тих об’єктів які їх утворюють, а й характером тих взаємодій та тих законів, що є визначальними в цих світах. Скажімо, ті події які відбуваються в мікросвіті, визначальним чином обумовлені певною сукупністю сильних, слабких та електромагнітних взаємодій. При цьому відповідні події описуються головним чином законами квантової механіки та теорії відносності. Ті події які відбуваються в макросвіті, визначальним чином обумовлені електромагнітними та гравітаційними взаємодіями. І ці події описуються головним чином законами максвелівської електродинаміки та ньютонівської механіки. Ті ж події які відбуваються в мегасвіті, визначальним чином обумовлені гравітаційними взаємодіями і описуються законами ньютонівської теорії тяжіння та загальної теорії відносності. 

Поділ цілісного Всесвіту на мікро-, макро- та мега- світи, певним чином відображає його, так би мовити, видиму структурованість. Якщо ж говорити про більш глибинну, більш сутнісну структуру Всесвіту, то її можна представити як взаємопов’язану сукупність матерії, руху, простору та часу. 

Коли ми говоримо, що той чи інший об’єкт матеріальний, то маємо на увазі, що він реально існує і так чи інакше проявляє себе. Тобто так чи інакше діє на інші матеріальні об’єкти, в тому числі на вимірювальні прилади та на наші відчуття. Іншими словами: матерія – це те, що реально існує і так чи інакше проявляє себе. 

Все різноманіття матеріальних об’єктів макросвіту, можна розділити на об’єкти речовинні (речовини) та об’єкти полеві (поля). Якщо матеріальний об’єкт має масу спокою та складається з тих чи інших мікрочастинок то його називають речовинним. Речовинні об’єкти можуть бути твердими, рідкими та газоподібними. Вони можуть бути живими і неживими, великими і маленькими, простими і складними, пружними і пластичними, струмопровідними та неструмопровідними, кольоровими та безбарвними, одним словом – різними. Вони можуть складатись з атомів, молекул, іонів, нейтронів чи з чогось іншого. Однак в будь якому випадку речовина – це те що складається з тих чи інших мікрочастинок і має масу спокою. 

Дослідження показують, що будь який речовинний об’єкт певним чином збурює навколишній простір. При цьому говорять, що відповідний об’єкт створює певне силове поле. Поле – це таке силове збурення простору, яке створюється певними матеріальними об’єктами і певним чином діє на інші матеріальні об’єкти. За своєю структурою та властивостями, поле мало чим відрізняється від простору. Як і простір воно не має запаху, кольору, смаку. Не має густини, твердості, електропровідності. Не складається з тих чи інших частинок, тощо. Іншими словами, поле не має тих властивостей, які за логікою “здорового глузду” мають бути притаманними матеріальним об’єктам. І тим не менше, поля матеріальні. Матеріальні бодай тому, що реально існують і певним чином проявляють себе. Проявляють тим, що строго визначеним чином діють на інші матеріальні об’єкти. Власне за цією дією поле можна не лише виявити, а й кількісно охарактеризувати. 

У фізиці макросвіту розрізняють три різновидності поля: гравітаційне, електричне та магнітне. При цьому гравітаційним називають таке поле, яке створюється масами (об’єктами що мають масу) і діє на маси. Електричним, називають таке поле, яке створюється електричними зарядами і діє на електричні заряди. Магнітним, називають таке поле, яке створюється зарядами що рухаються і діє на заряди які рухаються.  

Вже факт того, що будь який речовинний об’єкт будь то атом, камінь , планета чи зірка, складається з масивних заряджених частинок які постійно рухаються, безумовно вказує на те, що між гравітаційними, електричними та магнітними полями існує певний зв’язок. Наявність такого зв’язку є очевидною. Однак, на сьогоднішній день, загально прийнятої та безумовно підтвердженої теорії граві-електро-магнітного поля не існує. На сьогоднішній день існує та успішно працює максвелівська теорія електромагнітного поля. Теорія, в якій безумовно доводиться, що електричні і магнітні поля, це різновидності єдиного електромагнітного поля. 

У мікросвіті, окрім гравітаційних та електромагнітних полів виділяють й інші поля, зокрема мезонні (глюонні). При цьому, кожна різновидність поля забезпечує певний вид фізичних взаємодій. В сучасній науці розрізняють чотири види таких взаємодій: гравітаційні взаємодії, електромагнітні взаємодії, сильні взаємодії та слабкі взаємодії. Ці фундаментальні взаємодії відрізняються не лише за видом того поля яке їх забезпечує, а й за силовою інтенсивністю, радіусом дії, ступенем універсальності, сферою переважного застосування, тощо. В залежності від обставин, фундаментальні взаємодії можуть проявлятись як у вигляді сил притягування так і у вигляді сил відштовхування. Власне цей факт і забезпечує цілісність таких складних систем як атомні ядра, атоми, молекули, макротіла, планетарні системи, зіркові системи та Всесвіт в цілому. 

Зазвичай, цілісність будь якого фізичного об’єкту та різноманіття його властивостей, забезпечується складною комбінацією різних видів взаємодій. При цьому, на рівні елементарних та субелементарних частинок, відмінності між фундаментальними взаємодіями практично зникають. По суті, всі фундаментальні взаємодії нерозривно пов’язані між собою та утворюють єдиний цілісний організм. Організм, в якому кожна взаємодія виконує певні функції та органічно доповнює інші взаємодії. Сучасна наука переконана в тому, що відомі фундаментальні взаємодії є певними проявами єдиного цілого, і що це ціле можна описати певною цілісною теорією. Інша справа, що на сьогоднішній день такої загально визнаної та безумовно доведеної теорії не існує. 

Поділ матеріальних об’єктів на речовинні та полеві є досить умовним. Умовним настільки, що в мікросвіті різниця між речовиною та полем практично зникає. Зникає бодай тому, що в мікросвіті, ті матеріальні об’єкти які можна назвати частинками речовини (протони, нейтрони, електрони) і ті які можна назвати неподільними квантами поля (фотони, гравітони, глюони), утворюють єдину групу матеріальних об’єктів які називаються елементарними частинками. При цьому, ті елементарні частинки які можна назвати мікрочастинками речовини, можуть перетворюватись в ті елементарні частинки які є квантами поля і навпаки. Наприклад:  e– + e+ → 2γ ;    ϒ → e– + e+. 

Мікросвіт відрізняється від макросвіту не лише тим, що в ньому зникають відмінності між речовиною та полем. В мікросвіті, зникають і ті відмінності які існують між частинками та хвилями. В цьому світі мікрочастинкам притаманний так званий корпускулярно-хвильовий дуалізм. 

В тій частині фізики яка описує макросвіт, частинки і хвилі розглядаються як абсолютно різні об’єкти. Об’єкти які характеризуються наступним переліком відмінностей: 

1. Частинки є такими, що локалізовані в просторі і які в процесі свого руху описують певні траєкторії. Хвилі – не є локалізованими в просторі і не мають певної траєкторії руху. 

2. Хвилі мають певні інтерференційні та дифракційні властивості. Натомість частинки таких властивостей не мають. 

3. Різні частинки не можуть одночасно знаходитись в одній і тій же точці простору, а різні хвилі – можуть. 

4. Рух частинки супроводжується як переносом енергії так і переносом речовини. А рух хвилі – лише переносом енергії. 

Уявлення про те, що частинки і хвилі є абсолютно різними, несумісними фізичними  об’єктами, панували в науці до початку 20-го століття. На початку ж цього століття, було доведено що світло, тобто той об’єкт який має безумовні ознаки хвильового процесу (інтерференція світла, дифракція світла, поляризація світла), випромінюється та поглинається певними неподільними порціями (квантами). По суті це означало, що світло представляє собою потік особливих частинок (фотонів), які мають як корпускулярні так і хвильові властивості. 

Відображенням корпускулярно-хвильового дуалізму фотона є не лише його властивості, а й ті фізичні величини які характеризують фотон. Дійсно. Як і будь яка частинка, фотон має енергію Е=hc/λ, масу m=h/cλ та імпульс р=h/λ. При цьому, значення цих безумовних ознак корпускулярності, виражаються через очевидно хвильовий параметр – довжину хвилі. 

Подальші дослідження показали, що корпускулярно-хвильовий дуалізм притаманний не лише фотонам, а й всім елементарним частинкам та їх мікросистемам (атомним ядрам, атомам, молекулам, іонам, тощо). 

Сучасна наука виходить з того, що матерія нерозривно пов’язана з рухом і що рух є способом існування матерії. При цьому, терміном “рух” позначають  все різноманіття тих процесів, подій, явищ та взаємодій які відбуваються в Природі. Зазвичай в фізиці вивчають наступні форми руху: 

1.Механічний рух – все різноманіття тих процесів та взаємодій, які пов’язані з переміщенням тіл, їх фрагментів, складових частин та окремих частинок. 

2. Тепловий рух – все різноманіття тих процесів та взаємодій, які пов’язані з хаотичним рухом величезної кількості атомів, молекул, іонів та інших мікрочастинок. 

3. Електромагнітний рух – все різноманіття тих процесів та взаємодій, які пов’язані з рухом заряджених частинок, з випромінюванням, розповсюдженням та поглинанням електромагнітних хвиль. 

4. Субатомарний рух – все різноманіття тих процесів та взаємодій, які відбуваються в світі атомів, атомних ядер та елементарних частинок. 

Дослідження показують, що різні форми руху здатні до взаємоперетворень, і що в процесі цих перетворень загальна кількість руху залишається незмінною тобто зберігається. В сучасній науці, кількісною мірою руху матерії є енергія, а точніше мас-енергія. Як і сам рух, енергія може перетворюватись з одного виду в інший, переходити від одного фізичного об’єкту до іншого. При цьому, за будь яких перетворень та переходів, загальна кількість мас-енергії замкнутої системи залишається незмінною. 

Різні форми руху не тільки взаємопов’язані, а й такі що мають певні якісні відмінності. Наприклад тепловий рух якісно відрізняється від механічного. Відрізняється тим, що в ньому приймає участь величезна кількість мікрочастинок, які хаотично рухаються та складним чином взаємодіють між собою. Результатом цього хаотичного руху та складних взаємодій є факт того, що однозначно передбачити поведінку будь якої конкретно взятої частинки, практично не можливо. 

Прямим наслідком тих якісних відмінностей що існують між різними формами руху матерії є відповідні відмінності і між тими законами які ці рухи описують. Скажімо, механічний рух описують закони ньютонівської механіки, уточненим варіантом яких є закони теорії відносності. Ці закони є динамічними, тобто такими які за заданими початковими параметрами системи, точно та однозначно описують її подальшу механічну поведінку. В принципі, динамічні закони ньютонівської механіки, можна застосувати і в тому випадку, коли описується механічна поведінка окремо взятої  молекули. Однак, в будь якому реальному тілі міститься неймовірно велика кількість молекул, які складним чином взаємодіють між собою. Однозначно описати поведінку кожного елемента цієї надскладної системи, практично не можливо. Цю поведінку описують так звані статистичні закони. Ці закони не дають однозначно точних передбачень. Їх передбачення є усереднено статистичними або ймовірнісними. 

Безумовно статистичними є і ті закони квантової механіки, які описують ті процеси що відбуваються в світі атомів, атомних ядер та елементарних частинок. Якщо ж говорити про електромагнітні явища, то їх описують динамічні закони максвелівської електродинаміки. 

Потрібно зауважити, що статистичні закони жодним чином не гірші, не менш надійні, не менш достовірні і не менш точні, за ті закони які називаються динамічними. Більше того, динамічні закони по суті є похідними від статистичних. Загалом же, поділ фізичних законів на динамічні та статистичні є досить умовним. Адже фактично мова йде про різні сторони єдиного комплексу законів Природи (а, скоріш за все,- єдиного спер закону), який визначає хід всіх тих подій, що відбувалися, відбуваються і будуть відбуватись у Всесвіті. 

Сучасна наука виходить з того, що рухома матерія існує в часі та просторі, і що терміни “час” та “простір” не мають сенсу без тих матеріальних об’єктів які в цьому просторі-часі знаходяться, та тих подій які в них відбуваються. Вже факт того, що поле з одного боку є різновидністю рухомої матерії, а з іншого – збуреним простором, безумовно вказує на те, що простір нерозривно пов’язаний з матерією та рухом. Вже факт того, що всі параметри руху неминуче виражаються через параметри простору та часу, безумовно вказує на те, що відповідні прояви Природи взаємопов’язані. По суті це означає, що за уявленнями сучасної науки, матерія, рух, простір та час, є невід’ємними частинами єдиного цілого. 

Діалектична єдність матерії, руху, часу та простору, це не лише предмет певних філософських узагальнень, а й результат точних експериментальних досліджень, вимірювань та законів. А ці дослідження, вимірювання та закони говорять про те, що матерія у вигляді речовини в певних співвідношеннях може перетворюватись в матерію у вигляді поля (збуреного простору) і навпаки. Що параметри матерії, простору та часу, певним чином залежать від параметрів руху. Що параметри руху, часу та простору, певним чином залежать від параметрів матерії. Що простір і час, це єдине чотиривимірне ціле простір-час. Іншими словами, сучасна наука з усією очевидністю доводить, що Природа – це єдиний цілісний організм, в якому все діалектично взаємопов’язано та взаємообумовлено. 

Звичайно, сучасна наука про Природу (фізика) ще не стала тим цілісним організмом, всі частини якого підігнані настільки ж ідеально як частини самої Природи. В сучасній науці існують певні проблеми. І наука працює над їх вирішенням. Однак, в незалежності від того, будуть чи не будуть ці проблеми вирішеними, не можна не визнати факту того, що погляди сучасної науки на устрій Природи, достатньо точно співпадають з її реальним устроєм. І якщо сьогодні, ми не можемо в точності передбачити погоду на завтра, то це не тому, що ми чогось не знаємо про погоду, а тому, що на погоду так чи інакше впливають мільярди обставин, точно врахувати які практично не можливо.