Съвременната физика на макро- и микросвета - Основните етапи в развитието на физиката
Началото на следващата фундаментална промяна във физичните концепции беше откриването на радиоактивността и фотоелектричния ефект. Тези открития доведоха още в началото на века до такива изследвания в микросвета, които бяха обобщени в квантовата механика, в релативистката квантова механика, в теорията на елементарните частици.
Най-фундаменталният резултат, който промени една от основните парадигми на физиката, беше заключението, че всички фундаментални физични закони са от статистическо естество. Откриването на принципа на неопределеността на Хайзенберг беше от решаващо значение. Съгласно този принцип делта X, умножено по делта P, е по-голямо от равно на H.
Когато една от тези грешки намалява, втората нараства и по този начин състоянието на елементарната частица винаги се оказва неопределено. Но ако първоначалното състояние не може да бъде точно определено, то последващото състояние на частицата се оказва още по-неопределено. Важно е, че такава несигурност е присъща не само на позицията на частицата в пространството, но и на нейното енергийно състояние. Следователно, от физическа гледна точка, несигурността се оказва неразделно свойство на всяко физическо взаимодействие във всички форми на неговото проявление.
Развитието на теорията на елементарните частици и квантовата механика направи възможно поставянето на редица фундаментални физически и философски проблеми. Първо, това е въпросът за неизчерпаемостта на физическата реалност в дълбочина. Точно както Айнщайн и Инфелд доказаха теоремата, че общата теория на относителността предоставя толкова пълно описание на движението, че не е възможен по-нататъшен качествен напредък в тази област, така и фон Нойман доказа теоремата за скритата променлива. Според тази теорема законите на квантовата механика са последнитестъпка в описанието на физическите взаимодействия в микросвета. Не може да има по-дълбоко описание. Ако съществуват скрити параметри, те не могат да бъдат разкрити. Следователно законите на квантовата механика могат да се основават не на други физически закони, а само на законите на големите числа, тоест на математическата структура. В този момент физиката като че ли отново се върна към питагорейското обосноваване на физическата реалност.
Междувременно изследванията в областта на елементарните частици бяха насочени към намиране на по-дълбоко ниво на организация на елементарните частици. Дълго време изглеждаше, че теоремата на фон Нойман е в известен смисъл потвърдена от експеримента. Подобно потвърждение се виждаше във факта, че когато се опитваше да разкрие структурата на елементарна частица, да намери онези частици, от които се състои, всеки път възникваше парадоксална ситуация, качествено различна от взаимодействието на микрониво. Макробителата при достатъчно силно външно въздействие се разпадат на частите, от които са съставени. За разлика от това, ако приложим към елементарна частица дори такава енергия, която надвишава нейната собствена, тоест E = M*C2, където M е масата на частицата, която е засегната, тя не колабира, а генерира частици от същото ниво. Затова те започнаха да казват, че неизчерпаемостта на физическата реалност на ниво микросвят не е, че има по-дълбоко, по-фино ниво на организация, а че разнообразието от елементарни частици образува неизчерпаем набор от свойства и взаимоотношения.
И все пак желанието да се намери по-дълбоко структурно ниво на организация на материята продължава. По този начин бяха създадени няколко теории, които бяха частично потвърдени в експеримента. Такава е например теорията на кварките, теорията на партоните, т.е.частични частици, които не съществуват извън цялото, тоест извън тяхната частица. Въпреки че днес вече са открити стотици елементарни частици, повечето от тях имат много кратък живот и само няколко частици са стабилни, като електрон, протон, фотон, неутрино.
Всяко взаимодействие на ниво елементарни частици се осъществява чрез виртуални частици. Те свързват елементарните частици. Например чрез пи-мезони протоните взаимодействат с неутрони, поради което атомните ядра са стабилни. Виртуалните частици остават напълно неразбрани и много мистериозни. От една страна, те наистина съществуват, тъй като без тях нямаше да има взаимодействие, атомните ядра биха се разпаднали и електроните не биха могли да се въртят в атомни орбити. От друга страна, много теоретици не признават тяхното безусловно съществуване, тъй като в този случай се нарушава законът за запазване на енергията. Следователно, следвайки Хераклит, трябва да се твърди, че и двете съществуват и не съществуват едновременно.
Благодарение на изследванията в областта на квантовата механика и елементарните частици стана възможно да се хвърли нов поглед върху вакуума. Оказа се, че частиците и античастиците постоянно се появяват и изчезват във вакуум по двойки. Животът им обаче е толкова кратък, че е невъзможно да бъдат открити експериментално. Откриването на такива частици би било в противоречие с принципа на неопределеността на Хайзенберг. Именно поради краткостта на съществуването на вакуумните частици телата, движещи се в него, практически не изпитват съпротивление. Въпреки това, специални експерименти, базирани на математически модели, могат индиректно да открият появата и изчезването на виртуални двойки частици и античастици. Тук също имаме ситуация, при която частиците присъстват във вакуум и в същото време ги няма.
Още през 30-те години на миналия век става ясно, че четири вида взаимодействия са в основата на всички физически явления. Това е гравитацията, която е от решаващо значение на макро и мега нивата на организация на физическата реалност; електромагнитни, проявяващи се на микро и макро ниво; силни взаимодействия, които определят вътрешноядрените сили; слаби взаимодействия, които определят разпадането на протоните. В същото време веднага възникна въпросът: могат ли тези сили да бъдат сведени до някакво единство, тоест възникна проблемът за създаване на единна теория на полето. Естествено, отначало те се опитаха да следват пътя, който винаги дава добри резултати, тоест да извършат редуцирането на едни закони към други. Така Айнщайн в продължение на много години се опитва да създаде единна теория на полето, опитвайки се да изведе три други взаимодействия от общата теория на относителността. Провалът, който го сполетя по този път, се определяше от факта, че е възможно успешно да се извлече едно от друго само когато това отразява обективна връзка. Междувременно и четирите взаимодействия са следствия от по-общо първоначално взаимодействие. Успехът се появи едва когато необходимостта да обясним Големия взрив ни принуди да подходим към този проблем по еволюционен път и да започнем от най-простото - от вакуума. Ето как е решен проблемът в моделите на Големия взрив. Ако първоначално се предполагаше, че първоначалното състояние на еволюцията на нашата Вселена е специална, свръхплътна кондензация на материя и енергия, а след това, благодарение на експлозивния процес, започва синтезът на елементарни частици и по този начин възниква първоначалното състояние, в което вече действат четирите известни на нас физически взаимодействия, тогава в съвременната космология вакуумът се приема като първоначално състояние.
Големият взрив се разглежда като вакуумна флуктуация, при която е нарушен относителният баланс на силите.привличане и отблъскване, което доведе до колосално освобождаване на енергия.
Така нашата Вселена възниква от това, което е изключително просто в съвременната физическа реалност, тоест от вакуума или от „нищото“. Хегел в своята Логика твърди, че развитието протича от нищото през нещо към нищото. В И. Това твърдение изглежда съмнително за Ленин, той пише по този повод, че не се случва с нищо, но не се случва от нищото. Но от гледна точка на модела на Големия взрив, именно от „нищото“ възниква нашата Вселена. В края на краищата, самото понятие "не-битие" във философията на Хегел е относително, тъй като е идентично с понятието "битие". Следователно започването с битието или небитието не е от основно значение в тази философия. Всяко едно от тези понятия директно се трансформира в друго, давайки по този начин понятието "ставане". И ставането поражда съществуване, тоест такава сигурност, в която качеството вече е зададено. Приблизително същата е ситуацията и в космологичния модел на Големия взрив. Вътрешно противоречие, заложено във вакуум, поражда процес, а резултатът от този процес е сигурността на законите на физическата реалност.