Қазіргі жаратылыстанудың негізгі принциптері

                               Қазіргі жаратылыстанудың негізгі принциптері

     ХIХ ғасырдың аяғында микродүниені зерттеуге кіріскенде бұрынғы классикалық физикада тұжырымдалған ұғымдармен принциптер атомшілік элементар бөлшектердің физикалық қасиеттерін түсіндіруге жарамсыз болып қалды, өйткені электрон, протон, нейтрон сияқты атомшілік ұсақ бөлшектер бізге көрінбейтін микро дүниені құрады. Ол дүниенің обьектілерінің қасиеттері бізге үйреншікті макродүние обьектілерінің қасиеттеріне мүлде ұқсамайды. Сондықтан микродүние деңгейіндегі қозғалыстардың жүру ерекшеліктері мен заңдарын анықтайтын жаңа физикалық теория керек болды. Сондай теория ретінде 1900 жылы кванттық механика пайда болды.

     Кванттық механика мен кванттық физика негізінде ХХ ғасырдың алғашқы 20 жылында дамып қалыптасты. Оның қалыптасуында М.Планк(неміс), А.Эйнштейн(американдық), Н.Бор(даниялық), Л.де Бройль(француз), В.Гейзенберг(неміс) деген ғалымдар және т.б. үлкен еңбек сіңірді.

    Микродүние обьектілерінің(бөлшектерінің)қасиеттері мен заңдылықтарын зерттеуге кіріскенде физиктер бұрын классикалық физикада кездеспеген бір қызықты құбылысты ашты; микродүние обьектілері бір мезгілде әрі корпускулалық, әрі толқындық қасиеттері бар екендігін байқатты. Бұл құбылыс түсінікті болу үшін оптикалық құбылыстарды зерттеу тарихына қайта оралайық. И.Ньютон жарықты ұсақ материалдық бөлшектер ретінде қарастырған еді. Бірақ интерференция және дифракция деп аталатын жарық құбылыстар ашылғаннан кейін жарықтың толқындық теориясы басым бола бастады: бұл теория жарықты толқын тәрісдес қозғалыс түрінде түсіндірді.

    Ал 20 ғасырдың басында фотоэффект құбылысының ашылуы жарықтың корпускулалық табиғатын ашып берді: фотондар дәл сондай жарық корпускулалары екен. Одан бұрын неміс физигі Макс Планк энергияның сәулелену және жұту процестерін түсіндіру үшін энергияның дискреттік бөлшектері туралы түсінікті пайдаланған еді. Кейіннен А.Эйнштейн жарық жұтылып және сәулеленіп қана қоймай, кванттық түрінде тарайтынын да ашып берді. Осының негізінде ол фотоэффект құбылысын түсіндіруге   мүмкіндік алды. Фотоэффект деген фотон деп аталған жарық кванттары дененің бетіндегі электрондарды жұлып алу екенін ашты. Өткен ғасырда интерференция және дифракция деген жарық құбылыстарды толқындық ұғымдардың көмегімен түсіндірілетін. Мысалы, Максвелдің теориясында жарық электромагнит толқындарының ерекше түрі деп қарастырылды. Сөйтіп, жарықтың классикалық түсінігі яғни, оны толқындық процесс деп түсінуі енді оны жарық корпускулаларының, кванттық немесе фотондардың толқыны деп қарастырылатын жаңа түсінікпен толықтырылды. Осының нәтижесінде жарық жайлы корпускулалық толқындық дуализм деп аталған көзқарас туды. Бұл құбылыс бойынша, жарық корпускулалық-толқындық сипатта, яғни ол бір мезгілде әрі корпускулалық, әрі толқындық сипатта, яғни ол бір мезгілде әрі корпускулалық, әрі толқындық құбылыс болып табылады екен.

    Физиканың дамуындағы бұл жаңа қадам корпускулалық - толқындар дуализм атомшілік ұсақ бөлшектерді (электрон,протон,нейтрон сияқты элементар бөлшектерді)зерттеуге қолданумен байланысты болды. Классикалық физикада зат ардайым бөлшектерден тұрады деп түсініп келгендіктен, толқындық теория онда мүлдем қолдану таппады. Сондықтан микробөлшектерде толқындық қасиеттердің ашылуы аса танданарлық жаңалық болды(миркобөлшектерде толқындық қасиеттің болу мүмкіндігін 1924 ж.француз физигі Луи де Бррль жорамалдаған болатын, ал 1927 ж.американдық физиктер К.Дэвиссон мен Л.Джермер оны тәжірибе жүзінде растады).

    Сонымен, тек фотондар, яғни жарық кванттары ғана емес, сондай-ақ электрон, протон, нейтрон сияқты материалдық бөлшектерде де қос қасиетті екендігі анықталды. Демек, микрообьектілердің бәрінде корпускулалық та, толқындықта қасиеттері бар екен. Кейіннен толқын мен бөлшектің дуализм деп аталып бұл құбылыс бұрынғы класикалық физикалық түсініктеріне мүлдем сәйкес келмеді, өйткені ол физика бойынша заттарда не корпускулалық, не болмаса толқындық қан қасиеті болуы мүмкін еді. Ал микрообьектілерде бір мезгілде  әрі корпускулалық, әрі толқындық қасиеттері бар болып шықты. Корпускулалық-толқындық дуализм қазіргі физикада жалпы заңдылыққа айналды, өйткені кез келген материалдық обьект осы екі қасиеттің бірлігімен сипатталатыны анықталды.

      Микродүниенің кванттық-механикалық түсініктемесі неміс физигі В.Гейзенберг ашқан айқынсыздық принципі мен даниялық физик Н.Бор тұжырымдаған толықтырмалық принципінің ара-қатынасына негізделеді.

Гейзенберг ашқан айқынсыздық  принципінің мәні мынада: қозғалушы элементар бөлшектердің жай-күйін анықтауға классикалық механиканың заңдарын қолдануға болтын болса, онда жағдай оңай болар еді-бөлшектің координаттарын және оның қозғалыс импульсын анықтаса болғаны еді. Бірақ классикалық механиканың заңдары микробөлшектерге қолдануға кемейді – оны іс жүзінде қолдануға болмайтыны былай тұрсын, тіпті микробөлшектің орнын және қозғалыс мөлшерін дәл анықтау мүмкін емес. Бөлшектің қайда тұрғаның, ол қалай тез және қай бағытта қозғалатынын бір мезгілде білу арқашан мүмкін емес. Және, бұған керісінше, жылдамдықты діл өлшеген кезде бөлшектің орнын анықтау мүмкін емес.

   Классикалық механика тұрғысынан қарағанда айқынсызыдықтың ара-қатынасы ақылға сиымсыз болып көрінеді. Мұны дұрыс түсіну үшін мынаны ескеру қажет: микродүниеге заттарының ішінде өмір сүремиз, сол себепті ал айқынсыздықтың ара-қатынасы микродүниенің құрлысын бұзбайынша, оны бақылау мүмкін еместігінің көрінісі болып табылады.Микрофизикалық процестердің дәл көрінісін жасауына әрекеттенудің кез келгені не корпускулалық түсінікке, немесе толқындық түсінікке сүйенуі тиіс – екеуін бірлікте елестету мүмкін емес. Кванттық механиканың негізгі принципінің тағы бірі - толықтырмалық принцип. Бұл принципті Н.Бор былай тұжырымдады: ”Бөлшектер мен толқындар ұғымдары бірін-бірі толықтырады және сонымен бірге біріне бірі қайшы келеді, олар жүріп жатқан процестерді толықтырушы болып табылады”.

    Микрообьектілердің корпускулалық – толқындық қасиеттерінің қайшылығы микрообьектілердің мен макро приборлар арасындағы бақылауға болмайтын қарым-қатынастың нәтижесі. Приборлардың екі түрі бар – олардың бірінде кванттық обьектілер толқын түрінде көрінсе, екіншісінде бөлшектер сияқты көрінеді.

    Микродүниеде корпускулалық және толқындық көріністер бірін-бірі толықтырылып отырылуы тиіс. Тек осы екі түсінікте бірге есепке алғанда ғана микродүниенің жалпы көрінісін алуға болады.

                     Материяның құрлымының атомистік концепциясы

     Материяның одан әрі бөлінбейтін ұсақ бөлшегі - атом туралы түсінік өте ерте заманда, атап айтқанда, біздің эрамызға дейінгі 5 ғасырда Грецияда пайда болды. Ертедегі грек ойшылдары Левкипп пен Демокрит материя аса ұсақ бөлшектердің қосындысынан тұрады, атомдардың түрліше бірігуінен алуан түрлі денелер құралады деген жорамал айтқан еді. Атомның бөлінбейтін аса ұсақ материалдық бөлшек ретіндегі ұғым физикаға химиядан ауысты. Атомді физикалық құрлысы жағынан зерттеу шын мәнінде ХIХ ғасырдың аяғында француз физигі А.А.Беккерелдің радиоактивтік құбылысты ашуынан басталды. Радиоактивтік құбылысты зерттеуді одан әрі француз физиктері ерлі - зайыпты Пьер мен Мария Кюрилер жалғастырып, жаңа радиоактивтік элементтер полоний мен радийды ашты. Атомның құрлысын зерттеудің кейінгі деңгейлерінде “бөлінбейтін” жаңа бөлшектер табыла бастады. Сондай бөліктердің бірі электрон болды. 1913 жылы ағылшын физигі Э.Резердфорд ауыр элементтердің атомының а-бөлшектерді шашырату құбылысын зерттегенде атом массасының негізгі бөлігі оның орталық бөлігінде – ядро шоғырланғандығын ашты, ал а-бөлшектер ядродан алыстау жерлерде ешбір кедергісіз өтіп кетеді екен. Осы экспериментке сүйене отырып, ол атом құрлысының планетарлық құрлысын ұсынды. Бұл модель бойынша теріс зарядталған электрондар массасы үлкен ядроны айнала өз орбиталары бойымен ұшып жүреді екен.Бірінші элементарлық бөлшек XIX ғасырдың аяғында ағылшын физигі Дж.Томсон ашқан электрон болды. Одан кейін 1919ж. Резерфорд атомдары а-бөлшектері бомбалау нәтижесінде протондарды ашты. XX ғ.басында фотон ашылған еді, 1932ж. Зарядсыз нейтрон ашылды, осыдан 4 жылдан соң бірінші анти бөлшектер позитрон ашылды - мұның массасы электронның массасына тең, бірақ мұның оң заряды бар. Бұдан кейін космостық сәулелерді зерттеудің барысында көптеген басқа элементар бөлшектер ашылды, атап айтқанда мюондар және мезондар түрлі типтері ашылды. XX ғ. 50-жылд. басынан бастап элементар бөлшектерді ашудың және зерттеудің негізгі құралдары зарядталған бөлшектерді үдепкіштер болды. Солардың көмегімен антипротон және антинейтрон сияқты антибөлшектер ашылды. 1978-1980 жылдары жаңа элементар бөлшектерді ашу жылдамдай түсті. Олардың жалпы саны бүгінгі таңда 350-ден астам .Элементар арасында болатын мұндай өзара әрекеттестіктің төрт негізгі түрін атап көрсетуге болады. Олар: күшті әрекеттесу, электромагниттік әрекеттесу, әлсіз әрекеттесу және гравитациялық әрекеттесу.

     Күшті әрекеттесу атом ядросы деңгейінде протондар мен нейрондар арасында өзара тартылу және тебу процесі түрінде іске асады. Белгілі бір жағдайларда күшті әрекеттесу бөлшекттерді бір бірімен өте берік байланыстырады, осының нәтижесінде атомның ядросы жоғары энергиямен байланысқан материалдық система болып табылады. Сондықтан атом ядролары бұзылуы қиын аса берік болып табылады.

       Электромагниттік әрекеттесу күші әрекеттесуден, шамамен алғанда, мың есе әлсіздеу болады, бірақ алысқа әрекет етуші болады.Мұндай әрекеттесу электрлік заряды бар бөлшектерге тән. Электромагниттік әрекеттесу заряды жоқ фотондарға, яғни электромагниттік өріс кванттарына тән. Бұл әрекеттесудің нәтижесінде электорондар мен ядролар атомға, ал атомдар молекулаға бірігеді. Белгілі бір тұрғыдан алғанда бұл химия мен биологиядағы негізгі әрекеттесу болып табылады.

      Әлсіз әрекеттесу түрліше бөлшектердің арасында болуы мүмкін. Ол негізінен алғанда бөлшектердің ыдырауымен байланысты болады, мәселен, атом ядросында нейтрон протонға, электронға және антинейтронға айналған кезде болады.

      Гравитациялық әрекеттесу элементтар бөлшектер теориясында есепке алынбайтын ең әлсіз әрекеттесу болып саналады. Бірақ ірі массалар әрекеттескенде, мысалы, космостық масштабта, оның күші айтарлықтай өсіп, шешуші  маңызға ие болады.

   Әрекеттесудің бұл төртеуі алуан түрлі дүниенің құрлысы үшін әрі қажетті,әрі жеткілікті. Күшті әрекеттесу болмаса, атом ядролары болмас еді, ал жұлдыздар мен Күн ядролық реакциялар болмас еді, аса жаңа жұлдыздарда жарқылдауда болмас еді. Гравитациялық әрекеттесу болмаса, онда галактикада, жұлдыздар да, планеталарда, тіпті бүкіл әлем де болмас еді, өйткені Әлемнің біртұтастығы мен эволюциясын қамтамасыз ететін біріктіруші фактор гравитация болып табылады.

       Элементар бөлшектер қатысатын әрекеттесулердің типіне қарай олардың барін екіге бөлуге болады. Бірінші иопқа адрондар дегендер жатқызылады. Бұлар күшті әрекеттесуге түсетін бөлшектер, бірақ бұлар сондай-ақ электромагниттік және әлсіз әрекеттесулерге де қатысуы мүмкін. Екінші топқа лептондар дегендер жатқызылады. Бұлар – тек электромагниттік және әлсіз әрекеттесулерге қатынасатындар.

                           Әлемнің қазіргі космологиялық моделі(бейнесі)

         Космологияның Әлем жайлы жасаған қорытындылары Әлемнің пайда болу және дамуының модельі деп аталады.Сонда оны неге ”модель” дейді? Бұл сұраққа жауап беру үшін оны ғылым заңдылығымен салыстырып көрейік.

       Қазіргі заманғы жаратылыс тәжірибеге негізделген экспериментальдық ғылым болып табылады. Егер зерттелуші құбылыстардың барысы жайлы кез келген уақытта эксперименттер жасап, оны тәкелей бакылай алсақ және осы бақылаушылардың нәтижесі әрдайым бәрдейлігін негізге ала отырып, зерттелуші құбылыстарға тән жалпы заңдылықтарды ашсақ, тек сонда ғана зерттеу нәтижесі ғылыми тұрғыдан толық негізделді, дәлелденді дей аламыз. Әлемнің бірінші космологиялық моделін А.Эйнштейн 1917ж.жасады. Ол Ньютондық косиологияның механикалық постулаттарын жарамcыз екенін көрсете отырып, Әлемнің космологиялық моделі жалпы салыстырмалық  теориясына негізделуі тиіс екендігін дәлелдеп берді. Эйнштейннің космологиялық моделінде Әлем уақыт жағынан алғанда шексіз, кеңістік жағынан шетсіз. Көп ұзамай голландық астроном Виллем де Ситтер өз моделін ұсынды. 1922 ж.орыс математигі әрі геофизик А.А.Фридман кеңістікте ”кеңейе беретін” Әлем моделін жасады. 1927 ж. Бельгиялық аббат әрі ғалым Ж.Леместр кеңістіктің “кеңеюін” астрономиялық бақылау әрекеттерімен байланыстыра түсіндірді. Ол әлем аса тығыз массаның Үлкен қопарылысқа ұшырауы негізінде пайда болды деген түсінік ұсынды. 1929 жылы американдық астроном Э.П.Хаббл галактикалар бізден алшақтай беретін қозғалысын ашты. Сөйтіп, қорытындысында, Әлемнің кеңею фактісі ғылыми тұрғыдан дәлелденеді деп есептелінді. Әлем модельдерінің қайсысын ең дұрысы деп тұжырым жасауға қазіргі ғылымның толық дәлелі жоқ, бірақ біздің Әлеміміз кеңейтіні, эволюцияға ұшырайтыны анық болды. Ал Әлемнің кеңею модельінің құрамдас бөлігі -15 - 20 млрд жылдай болған зәулім Үлкен қопарылыс жайлы ұғым.”Алғашында қопарылыс болды.Бірақ ол жер бетінде біз көріп жүрген бір желден басталып,содан кейін айналаға кеңінен тарайтындай қопарылыстай емес, бірден бүкіл Әлем кеңістігін қамтитын орасан зор қопарылыс, бұл қопарылыс кезінде материяның әр бір бөлшегі басқа бөлшектерден ажырап, бір - бірінен алшақ кетуге тырысады”.

     Жартылыс зерттеушісі ғалымдар үшін ең қиын мәселе Әлемнің пайда болуы мен эволюциясы: ол неден және қалай пайда болады? - деген сұрақ. Бұл мәселе жайлы толып жатқан көз қарастарды топтастыра келгенде, мынадай екі негіз концепцияны атап көрсетуге болады: бірі материяның өздігінше ұйымдасу концепциясы, екіншісі - креационизм концепциясы.

     Синергетикалық  деп аталатын өздігінше ұйымдасу концепциясы бойынша материалдық Әлем өздігінше өмір сүріп, дамушы бірден бір  шындық болып табылады, одан басқа ешқандай шындық жоқ. Бұл концепция материалдық системалар барған сайын күрделі құрлымдардың түзілу бағытында дами отырып, өздігінше реттеледі, сондықтан Әлемнің дамыту мақсаты жайлы мәселе көтерудің өзі орынсыз деп есептейді.

     Креационизм, яғни жартуды мойындау концепциясы Әлемнің пайда болуымен дамуы материалдық дүниеден жоғарғы тұрған бір күш белгіленген программаның жүзеге асуымен байланысты деп түсіндіреді. Бұл бағытты ұстаушы таза діни - идеалистік көз қарастар бойынша Құдай дүниенің бәрін жоқтан жасадыдеп түсіндірілді. Классикалық физиканы тұжырымдаған материямен энергияның сақталу заңы бар екендігін білетін діни философтар діни кітаптардағы ”жоқтан жасау” ұғымы төңірегінде пікір таласын тудырып, олардың кейбіреулері ғылымды құрметтеген болып, ол ұғым алғашқы ретсіз материалдық дүниені құдайдың ретке келтірілуін білдіреді деп түсіндірді.

    Креационизм концепциясын ұстанушы физик ғалымдар дамытудың қажеттігі білім мен діни сенім салаларында қол жеткен барлық жетістіктерді біріктіріп, ұштастыратын дүниенің бір тұтас ғылыми – діни көрінісін жасауды талап етеді деп дәлелдемекші болған. Бұған қосымша дәлел ретінде олар ағылшын астрофизигтерді, Б.Карр мен Рисс тұжырымдаған антропо принциптерді келтірді. Әлемнің дамуы қарапайым системалардан әлде қайда күрделі де информация қабылданғанда системаларға өту барысында тіршіліктің және адамның шығуы үшін қажетті жағдайлар жасады.

                     Галактикалардың құрлысы мен эволюциясы

      Әлемнің аса ұсақ атомшілік бөлшектерінен бастап, аса зәулім галактикалық құрлымдар жиынтығына дейін барлығына структуралық байланыс тән. Әлемнің қазіргі құрлысы - космос эволюциясының нәтижесі-сол эволюцияның бір қарқынды қалыптасты: алғашқы галактикадан – басқа галактикалар, алғашқы жұлдыздардан - қазіргі жұлдыздар алғашқы планеталық тозандар бұлтынан – планеталар, оның ішінде жер түзілді, қалыптасты.

     Қазіргі ғылымның мәліметтеріне қарағанда, галактика дегеніміз көптеген жұлдыздар мен тұманданған денелердің шоғырланған құрлымынан аса үлкен система екен. Формасы жағынан галактикалар шартты түрде үш типке: эллипстік, спираль тәріздес және дұрыс емес галактикаларға бөлінеді екен.