Эволюция с позиций теоретической физики

Лев Залманович Виленчик

В книге изложен подход к пониманию явлений Природы с позиций классической, релятивистской, квантовой физики и космологии. Среди них: происхождение и развитие Вселенной, Большой взрыв, гравитация, квантовая запутанность и многие другие. Описано, как энтропийный порядок правит миром, своеобразно организовав распределение материи во Вселенной, присущие ей законы, бессмертный код ДНК в нашем бренном теле, нравственный кодекс, который мы исповедуем и законы общества, в котором мы живем.

Введение

В естественных науках для описания закономерностей Природы широко используется асимптотический подход. Например, хорошо знакомая всем Евклидова геометрия построена (согласно Д. Гильберту /9/) на 20 аксиомах, самая известная из которых — аксиома о параллельных прямых, утверждающая, что они никогда не пересекаются.

В число аксиоматических принципов, которые будут использоваться в этой книге, входят Принцип причинности /10, 11/, Принцип Маха /12/, Принцип Ле Шателье /13/, Принцип наименьшего действия /14, 15/, Принцип суперпозиции /16/, Принцип относительности /17/, Корпускулярно-полевой формализм /18/ и три Начала термодинамики /19/.

Принцип причинности утверждает, что каждому явлению предшествует вызвавшая его причина. Все явления — следствия определенных причин и для двух событий, разделенных во времени, более раннее может оказать влияние на более позднее, но не наоборот.

Принцип Маха в его наиболее общей формулировке /5, 12/ постулирует, что локальные физические законы определяются крупномасштабной структурой Вселенной. Это означает, что процессы, происходящие в любой локальной области пространства, существенным образом зависят от процессов в более широкой области, а также от характеристик всей Вселенной, происходящих в ней процессов и связанных с ними изменений. Верно и обратное, т.е. процессы, происходящие в локальных системах, оказывают определенное влияние на состояние систем, частью которых они являются. Согласно Э. Маху /12/, любые изменения в какой-либо части Вселенной изменяют состояние всей Вселенной и оказывают соответствующее влияние на все ее части.

Любопытно, что ещё в 17м веке выдающийся математик и физик, Лейбниц, высказал созвучную с принципом Маха мысль: «Вселенная — это взаимосвязанное целое».

Альберт Эйнштейн неоднократно подчеркивал /20/, что принцип Маха сыграл немаловажную роль при создании общей теории относительности, в рамках которой все существующие материальные тела (от небольших объектов до галактик) постоянно взаимодействуют посредством своих гравитационных полей, заполняющих всю Вселенную.

Принцип Ле Шателье декларирует, что все системы в природе противятся каким-либо изменениям, к которым их вынуждают внешние воздействия. Т.е. при внешнем воздействии, выводящим систему из некоторого стационарного состояния, в системе возникают процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Принцип наименьшего действия занимает в физике особое положение. Ему подчиняются все известные на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия: электромагнитные, сильные, слабые и гравитационные. Из него следуют основные уравнения классической и квантовой механики, электродинамики, физики сплошных сред, квантовой теории поля, термодинамики и общей теории относительности (гравитации) /15, 21/. Согласно этому Принципу, все изменения в Природе должны быть такими, чтобы некоторая ее количественная характеристика (обычно связанная с энергией) оставалась (или, по крайней мере, стремилась остаться) минимальной. Принцип наименьшего действия, как бы говорит нам, что в Природе нет ничего лишнего, происходящие в ней процессы не дублируют друг друга, она экономна и для любой ее эволюции достаточно минимальных расходов энергии.

Принцип суперпозиции в общем случае утверждает, что при действии нескольких сил результат определяется их векторной суммой. В квантовой механике он отражает также тот факт, что объект может с определенной вероятностью находиться в различных состояниях, но только одно из них проявляется при соответствующем измерении. В принципе, также можно интерпретировать вероятность события в статистической механике и термодинамике.

Принцип относительности декларирует, что во всех системах материальных объектов, если они неподвижны или находятся в состоянии равномерного и прямолинейного движения, законы Природы одни и те же и физические процессы протекают одинаково, независимо от места расположения этих систем и времени их тестирования.

Все три Начала термодинамики являются аксиоматическими. Они не доказываются и основываются исключительно на экспериментальных фактах /16, 19/.

Первым Началом является Закон сохранения энергии, гласящий, что энергия не создается, не исчезает, а лишь переходит из одного вида в другой.

Второе Начало термодинамики утверждает, что называемая энтропией функция состояния изолированной термодинамической системы, выведенной из состояния равновесия под воздействием какого-либо необратимого процесса, всегда возрастает и определяет таким образом эволюцию системы

Третье Начало термодинамики (теорема Нернста) говорит, что при приближении температуры к абсолютному нулю (-273^оС) энтропия равновесной системы не изменяется.

Следует отметить, что после введения Фарадеем и Максвеллом концепции электромагнитного поля в физику, а затем введения Эйнштейном гравитационного поля считается, что все электрически, магнитно, «гравитационно» или иным образом «заряженные» тела взаимодействуют посредством своих полей, каждое из которых представляет собой некую непрерывную среду, передающую «от точки к точке» силовое воздействие соответствующих зарядов друг на друга. Появление квантовой механики, а затем и ядерной физики внесло в концепцию поля существенное дополнение. Оказалось, что все физические поля состоят из квантов (фотонов, мезонов, еще не обнаруженных гравитонов, глюонов и других элементарных частиц), которые передают энергию поля между взаимодействующими объектами. Таким образом, появился «Корпускулярно-полевой дуализм»: с одной стороны, поле является сплошной средой, а с другой — средой, состоящей из дискретных квантов энергии. Этот дуализм, в отличие от хорошо известного Корпускулярно-волнового дуализма (суть которого в том, что луч света, как и пучок элементарных частиц, скажем электронов, демонстрирует волновые свойства в опытах по интерференции и дифракции, а в опытах по рассеянию ведет себя, как поток частиц, т.е. фотонов или электронов), практически не обсуждается в научной литературе, хотя он присутствует там самым непосредственным образом.

Оба названных дуализма являются реализацией двух основополагающих принципов: Принципа дополнительности /22/ и Принципа эквивалентности /23/, которые можно попытаться обобщить на широкий круг явлений следующим образом:

В определенных экспериментах одно и то же качество материальных объектов, может проявляться принципиально различными способами, которые не могут реализовываться и наблюдаться одновременно.

В квантовой механике и теории поля это проявляет себя в явлениях интерференции и рассеяния, а в теории относительности — в существовании гравитационной и инертной масс. В классической механике близкий к этому принцип работает во Втором законе Ньютона, где одно и то же качество проявляет себя либо как сила, либо как ускорение, а в Третьем законе Ньютона как действие и противодействие.

Для термодинамической системы таким качеством обладает изменение её свободной энергии, которое ответственно за эволюцию системы и может происходить либо путем энтропийных изменений, либо энтальпийных, либо и тех и других одновременно.

Корпускулярно-полевой формализм и перечисленные выше аксиоматические принципы будут применяться ко всем рассматриваемым в книге явлениям органического и неорганического мира. Такой подход основан на уверенности, что законы Природы являются общими для обоих миров, а органический мир лишь более организован, происходящие в нем процессы отличаются большей скоростью и поэтому он более изменчив и эволюционирует значительно быстрее мира неорганического.