Научные открытия XX века, их богословское осмысление

Соотношение

неопределённостей

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории связано с работой Гейзенберга 1927 года, в которой был сформулирован  принцип, утверждающий, что любая  физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Этот принцип получил название "соотношение неопределенностей".

Соотношение неопределенностей  устанавливает, что понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному  измерению входящих в соотношение  неопределенностей динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством  измерительной техники, а с объективными свойствами микромира.

1.4.3. Выводы квантовой  механики

Важное отличие состоит  в том, что в классических теориях  описываются свойства объектов вне  их отношения к тем приборам, с  помощью которых обнаруживаются эти свойства, в то время как  в квантовой механике учет условий  наблюдения неотъемлем от самой теоретической  постановки проблемы (при этом в  различных макроскопических ситуациях  микроявления обнаруживают различные, порой прямо противоположные  свойства, например, частицы или  волны).

Другим существенным отличием квантовой механики от классической, вызвавшим острые дискуссии, является её принципиально вероятностный  характер.

Умонастроение, характерное  для классической науки, отражено в  высказывании Лапласа о том, что  если бы существовал ум, осведомленный  в данный момент о всех силах природы  в точках приложения этих сил, то "не осталось бы ничего, что было бы для  него недостоверно, и будущее, так  же как и прошедшее, предстало  бы перед его взором".

Это умонастроение классической науки, четко выраженное Лапласом в  его работе "Опыт философии теории вероятностей" (1814 год), часто и  связывается с его именем, называется лапласовским детерминизмом. Безусловно, что это умонастроение не исчерпывается  приведенным высказыванием Лапласа  о всеведущем разуме. Оно представляет собой тонкую и глубокую систему  и представлений о реальности и способах ее познания.

С позиций лапласовского  детерминизма ньютоновская механика с  её однозначными законами является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория с  этой точки зрения должна исчерпывающим  образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных законов, как это делает механика.

Активное применение теории вероятностей в физике, которое началось с середины 19 века, привело к появлению  нового типа законов и теорий - статистических.

Важно подчеркнуть, что использование  вероятностно-статистических методов  в науке не противоречит концепции  лапласовского детерминизма. На эмпирическом уровне объекты даны в единстве существенных и несущественных, случайных свойств, поэтому использование вероятностных  представлений вполне обосновано. На теоретическом уровне использование  вероятностей предполагало однозначную  детерминированность тех индивидуальных явлений, которые в совокупности дают статистический закон.

С позиций лапласовского  детерминизма, использование вероятностных  представлений в науке вполне оправдано, но познавательный статус динамических и статистических теорий существенно  различен. Статистические теории с  этих позиций - это неподлинные теории; они могут быть практически очень  полезны, но в познавательном плане  они неполноценны, они дают лишь первое приближение к истине, и  за каждой статистической теорией должна стоять теория, однозначно описывающая  реальность.

Одна из интерпретаций  квантовой механики была построена  с позиций лапласовского детерминизма.

Фактически такую интерпретацию  развивали Эйнштейн, Планк, Шредингер  и их сторонники, когда утверждали, что принципиально вероятностный  характер квантовой механики говорит  о ее неполноте как физической теории. Они ориентировали физиков  на поиск такой теории микроявлений, которая по своей структуре и  характеру законов была бы подобна  классической механике или классической электродинамике. В этом русле строилась  программа элиминации вероятностных  представлений из теории микромира  путем обнаружения "скрытых параметров", т.е. таких свойств элементарных частиц, знание которых позволило  бы достичь их строго однозначного описания.

Против такой интерпретации  квантовой механики выступили Борн, Бриллюэн и другие, кто видел в  квантовой механике полноценную  и полноправную физическую теорию.

Хотя дискуссии в отношении  статуса вероятностных представлений  в современной физике не закончены  до сих пор, тем не менее развитие квантовой механики ослабляет позиции  сторонников лапласовского детерминизма.

Одним из удивительных свойств  микромира, открытых квантовой механикой  является туннельный переход. Переводя его суть на язык макромира: объект может пройти сквозь стену, не повредив её! Для этого рассмотрим рисунок.

 

I

II

III

 

Частица пролетает (шрих-пунктирная линия) из области I через высокий энергетический барьер II в область III. Через ψ-функцию можно определить вероятность «просачивания» частицы через такой барьер и она будет не нулевой⁴⁴.

 

1.5. Эволюция  Вселенной

1.5.1. Расширяющаяся  Вселенная

Радиоинтерферометр  для астрономических

наблюдений.

Одной из основных концепций  современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого - космология.

Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая  наука, космология в своей структуре  кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень  философских предпосылок, философских  оснований.

Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Так, в основании современной  космологии лежит предположение  о том, что законы природы, установленные  на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие  области, в конечном счете - на всю  Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в  пространстве и времени относится  к уровню философских оснований  современной космологии.

Возникновение современной  космологии связано с созданием  релятивистской теории тяготения - общей  теории относительности Эйнштейном (1916). Из уравнений Эйнштейна общей  теории относительности следует  кривизна пространства-времени и  связь кривизны с плотностью массы (энергии).

Применив общую теорию относительности ко Вселенной в  целом, Эйншейн обнаружил, что такого решения уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Однако Эйнштейн представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому он ввел в полученные уравнения дополнительное слагаемое, обеспечивающее стационарность Вселенной.

В начале 20-х годов советский  математик А.А.Фридман впервые  решил уравнения общей теории относительности применительно  ко всей Вселенной, не накладывая условия  стационарности.

Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения  лежат в основе современной космологии.

Эдвин Хабл у  телескопа

В 1929 году американский астроном Э.Хаббл опубликовал статью "Связь  между расстоянием и лучевой  скоростью внегалактических туманностей", в которой пришел к выводу: "Далекие  галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость" (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла).

Этот вывод Хаббл получил  на основе эмпирического установления определенного физического эффекта - красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной  части спектра) по сравнению с  линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Допплера, в спектрах галактик.

Открытие Хабблом эффекта  красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся  Вселенной.

В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная  расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина  расширения будет представляться той  же самой, а именно, все галактики  будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается.

Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут  возрастать, причем тем быстрее, чем  дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются  в размерах, реальные же звездные системы  повсюду во Вселенной сохраняют  свой объем из-за сил гравитации.

1.5.2. Модель горячей  Вселенной

Американский физик Георгий  Антонович Гамов в 1946 году заложил  основы одной из фундаментальных  концепций современной космологии - модели "горячей Вселенной".

В этой модели основное внимание переносится на состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая  наиболее ранние стадии, когда состояние  было необычным.

С построением моделей "горячей  Вселенной" в космологии наряду с  законами тяготения активно применяются  законы термодинамики, данные ядерной  физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика.

Модель горячей Вселенной  получила эмпирическое подтверждение  в 1965 году в открытии реликтового  излучения американскими учеными  Пензиасом и Уилсоном.

Открытие  реликтового излучения. А.Пензиас  и Р. Уилсон у радиотелескопа.

Реликтовое излучение - одна из составляющих общего фона космического электромагнитного излучения. Реликтовое излучение равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности  соответствует тепловому излучению  абсолютно черного тела при температуре  около 3К.

Согласно модели горячей  Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура  падала. При достижении температуры  около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось - кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура  обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе  составила около 3К. Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как реликт от эпохи  рекомбинации и образования нейтральных  атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим  взрывом.

В основе современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной: во Вселенной  нет каких-либо выделенных точек  и направлений, т.е. все точки и  направления равноправны. Это утверждение  об однородности и изотропности Вселенной  часто называют космологическим  постулатом.

В теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели Вселенной: открытая и  замкнутая.

В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная  бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают.

В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная  конечна (но так же безгранична, как  и в открытой модели); в такой  модели расширение со временем сменяется  сжатием.

На основании имеющихся  наблюдательных данных нельзя сделать  никакого выбора между открытой и  замкнутой моделями. Эта неопределённость никак не сказывается на общем  характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения) - величину не достаточно определенную по данным наблюдений.

В моделях однородной изотропной Вселенной выделяется ее особое начальное  состояние - сингулярность. Это состояние  характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение.