Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Ярославский государственный университет им. <...> С.П. Зимин © Ярославский государственный университет , 2007 2 Содержание К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ 7 <...> Т.К. Артёмова, А.С. Гвоздарёв, Е.А. Кузнецов.................................. 14 О ВЛИЯНИИ ЭЛЕКТРИЧЕКОГО ЗАРЯДА НА УсЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ В ЖИДКОМ СЛОЕ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ <...> А.А. Абдуллоев, Е.Ю. Саутов∗ Аннотация Рассматривается вопрос оценки качества восстановленных изображений . <...> На данный момент наиболее популярной объективной мерой служит пиковое отношение сигнал/шум (ПОСШ) . <...> П.Г. Демидова МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА В БЛИЖНЕЙ РАДИОГОЛОГРАФИИ ПО ЕГО БИСТАТИЧЕСКОЙ ДИАГРАММЕ РАССЕЯНИЯ <...> Т.К. Артёмова, А.С. Гвоздарёв, Е.А. Кузнецов Аннотация Исследовалась возможность идентификации объекта по рассеянному им полю для задач ближней радиоголографии . <...> где {ψ~hs } – новые коэффициенты разложения, ahs – тензор рассеяния , а базисные функции {H hs } выбраны таким образом, чтобы результирующее поле удовлетворяло условию излучения Зоммерфельда: 16 lim <...> С учётом того, что цилиндр считается идеально проводящим, тензор рассеяния можно представить в виде диагональной матрицы: :  a ρ Ar 0 0   hs <...> П.Г. Демидова О ВЛИЯНИИ ЭЛЕКТРИЧЕКОГО ЗАРЯДА НА УсЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ В ЖИДКОМ СЛОЕ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ <...> Введение Вопрос определения условий развития тепловой конвекции в подогреваемом снизу жидком слое неоднократно исследовался в разнообразных постановках , в том числе учитывающих возможность развития деформации формы свободной поверхности жидкости . <...> движение в жидкости с полем скоростей U (x, t) и волновое искажение рельефа свободной поверхности жидкости ξ (x, t) , и имеют тот же порядок малости , что и ξ , а именно: T ~ ρ ~ p ~ U ~ ξ ~ kT γ . <...> E = − grad (Φ 0 (z) + Φ(x, z, t)) , где малая поправка Φ(x, z, t) , связанная с волновой деформацией свободной поверхности <...>

Актуальные_проблемы_физики._Вып._6_Сборник_научных_трудов_молодых_ученых,_аспирантов_и_студентов.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Актуальные проблемы физики Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и студентов Выпуск 6 Ярославль 2007 1

Стр.1

УДК 53 ББК В3я43 А 44 Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета в качестве научного издания. План 2005 года Актуальные проблемы физики: Сб. науч. тр. молоА 44 дых ученых, аспирантов и студентов. Выпуск 6 / Отв. за вып. д-р физ.-мат. наук С.П. Зимин; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. –262 с. В сборнике представлены статьи по различным направлениям физики, написанные молодыми учеными, аспирантами и студентами физического факультета Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. УДК 53 ББК В3я43 Ответственный за выпуск доктор физико-математических наук С.П. Зимин © Ярославский государственный университет, 2007 2

Стр.2

Содержание К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ 7 А.А. Абдуллоев, Е.Ю. Саутов................................................................ 7 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА В БЛИЖНЕЙ РАДИОГОЛОГРАФИИ ПО ЕГО БИСТАТИЧЕСКОЙ ДИАГРАММЕ РАССЕЯНИЯ Т.К. Артёмова, А.С. Гвоздарёв, Е.А. Кузнецов.................................. 14 О ВЛИЯНИИ ЭЛЕКТРИЧЕКОГО ЗАРЯДА НА УсЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ В ЖИДКОМ СЛОЕ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ Д.Ф. Белоножко, А.В. Козин................................................................ 22 ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЕИВАЮЩИХ СВОЙСТВ ПАССИВНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ОТРАЖАТЕЛЯ ДЛЯ ЗАДАЧ РАДИОГОЛОГРАФИИ СФОКУСИРОВАННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ М.А. Боков, А.С. Леонтьев.................................................................. 31 НЕЛИНЕЙНЫЕ НЕОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ ЗАРЯЖЕННОЙ СТРУИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ Н.В. Воронина........................................................................................ 39 ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТА ЦЕПЕЙ МАРКОВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИИ В СИСТЕМАХ OFDM И.А.Денежкин, В.А.Чвало.................................................................... 48 МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГОДОГРАФОВ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ А.Е. Гладун............................................................................................. 59 РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО КОМПЬЮТЕРОМ ЛАБОРАТОРНОГО МАГНИТА С.А. Голызина........................................................................................ 65 ОСОБЕННОСТИ МИКРОРЕЛЬЕФА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК PbSe ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ В АРГОНОВОЙ ПЛАЗМЕ Е.С. Горлачев, С.В. Кутровская.......................................................... 72 3

Стр.3

СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ ТРИАНГУЛЯЦИИ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ................................................... 78 Е.В. Давыденко...................................................................................... 78 ПОГЛОЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛЕЧОМ ЧЕЛОВЕКА В ДИАПАЗОНАХ ЧАСТОТ СОТОВОЙ И РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ В.В. Дерябина, Т.К. Артёмова............................................................. 86 ВЛИЯНИЕ КРИВИЗНЫ ФАЗОВОГО ФРОНТА НА ОСЛАБЛЕНИЕ ПОЛЯ ПРИ ДИФРАКЦИИ НА СОВОКУПНОСТИ ПОГЛОЩАЮЩИХ ЭКРАНОВ А.В. Дымов............................................................................................. 94 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ НА ОСЦИЛЛЯЦИИ ПУЗЫРЬКА В ЖИДКОСТИ И.Г. Жарова......................................................................................... 102 ОПТИМИЗАЦИЯ ФРАКТАЛЬНОГО АЛГОРИТМА СЖАТИЯ СТАТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Д.А.Зараменский................................................................................. 110 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ И НАЧАЛЬНОЙ ФАЗЫ НА РАСПОЗНАВАНИЕ СОЗВЕЗДИЯ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИИ О.В. Караван........................................................................................ 118 НЕЛИНЕЙНЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТОНКОМ СЛОЕ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ А.В. Климов, А.В. Присяжнюк........................................................... 124 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ КОДОВ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ О.О. Козлова........................................................................................ 133 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Е.Н. Кокомова..................................................................................... 138 АЛГОРИТМ РАСПОЗНАВАНИЯ КОМАНД С ОГРАНИЧЕННЫМ СЛОВАРЕМ А.В. Коновалов..................................................................................... 144 4

Стр.4

АНАЛИЗ ФАЗОВОЙ ХАОТИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ СВЯЗАННЫХ СИСТЕМ ФАПЧ С ПОМОЩЬЮ НЕПРЕРЫВНОГО ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Ю.Н. Коновалова, А.А. Коточигов, А.В. Ходунин........................... 151 УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВРАЩЕНИЯ МАГНЕТРОНА Ю.В. Кострикина............................................................................... 159 НЕЛИНЕЙНЫЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ ЗАРЯЖЕННОГО СЛОЯ ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО СФЕРИЧЕСКОГО ЯДРА В ПОЛЕ ФЛУКТУАЦИОННЫХ СИЛ О. С. Крючков...................................................................................... 164 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРУКТУР CrOx/Si М. Ю. Курашов.................................................................................... 172 ПОГРЕШНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ФОКУСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО РАДИОИЗОБРАЖЕНИЯ А.С. Леонтьев..................................................................................... 176 ПЕРЕДАЧА ПОТОКОВОГО ВИДЕО ПО IP-СЕТИ ПРИ ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ЗАГРУЗКЕ КАНАЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕГО АЛГОРИТМА QoS В.Г. Медведев, В.В. Тупицын, Е.В. Давыденко................................. 181 УДАЛЕНИЕ ШУМА ИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТПРЕОБРАЗОВАНИЯ А.А. Моисеев, В.А. Волохов................................................................ 189 СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ПОМЕХ ДРОБНОСТИ В СПЕКТРЕ СИГНАЛА ΔΣ-СИНТЕЗАТОРА ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ ЧАСТОТ М.В. Назаров, В.Г. Шушков............................................................... 198 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ИМПУЛЬСНОГО КОЛЬЦА ФАПЧ СО СТРОБОСКОПИЧЕСКИМ ФАЗОВЫМ ДЕТЕКТОРОМ В.Ю. Новиков, А.С. Теперев, В.Г. Шушков....................................... 209 ПРИМЕНЕНИЕ СОГЛАСОВАННЫХ ОДНОМЕРНЫХ ВЕЙВЛЕТФИЛЬТРОВ В ЗАДАЧЕ РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ С.А. Новоселов.................................................................................... 217 5

Стр.5

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ЖИДКОСТИ А.В. Перминов..................................................................................... 224 ЦИФРОВОЙ ТЕПЛОВИЗОР НА ОСНОВЕ ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА ФУР-129Л А.И. Топников, А.Н. Попов, А.А. Селифонтов................................. 231 ФЛУКТУАЦИИ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ АТМОСФЕРЕ Е.Н. Туркина........................................................................................ 239 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ РАСПОЗНАВАНИЯ И СИНТЕЗА РЕЧИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО РЕЧЕВОГО КОДЕКА С.В. Ульдинович.................................................................................. 246 ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД С.В. Черникова, А.С. Голованов........................................................ 253 6

Стр.6

К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ А.А. Абдуллоев, Е.Ю. Саутов∗ Аннотация Рассматривается вопрос оценки качества восстановленных изображений. Для оценки визуальных искажений предлагается использование универсального индекса качества. В отличие от аналогичных алгоритмов на основе критерия среднеквадратичной ошибки, предлагаемый подход учитывает искажения яркости и контраста, а также степень коррелированности между эталонным и восстановленным изображениями. Результаты моделирования показывают хорошую коррелированность данного критерия с визуально воспринимаемым качеством изображений. Введение До сих пор наиболее надёжной оценкой качества изображения считается средняя экспертная оценка. Но она требует продолжительной работы нескольких людей и поэтому является дорогой и слишком медленной для использования в практических целях. В этом смысле более предпочтительны объективные (алгоритмические) критерии качества изображения , позволяющие проводить оценки автоматически. В настоящий момент к объективным мерам качества предъявляются следующие требования. Во-первых, эти метрики должны быть как можно более надёжными с точки зрения визуального восприятия, т. е. хорошо согласовываться с результатами субъективных оценок. Во-вторых, они должны обладать низкой вычислительной сложностью, что повышает их практическую значимость. В-третьих, желательно, чтобы эти метрики имели простую аналитическую форму и их можно было бы применять в качестве критериев оптимальности при выборе параметров системы обработки изображений . На данный момент наиболее популярной объективной мерой служит пиковое отношение сигнал/шум (ПОСШ) . Она обычно используется для сравнения различных алгоритмов обработки. ∗ Работа выполнена под руководством В.В. Хрящёва. 7

Реферат

по физике

на тему:

«Проблемы современной физики»

Начнем с проблемы, которая привлекает сейчас наибольшее внимание физиков, над которой, пожалуй, работает наибольшее количество исследователей и исследовательских лабораторий во всем мире, – это проблема атомного ядра и, в частности, как наиболее актуальная и важная ее часть – так называемая проблема урана.

Удалось установить, что атомы тол состоят 113сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного некоторым числом электронов. Положительный заряд ядра и отрицательные заряды окружающих его электронов компенсируют друг друга. В целом атом кажется нейтральным.

С 1913 почти до 1930 г. физики изучали самым тщательным образом свойства и внешние проявления той атмосферы электронов, которые окружают атомное ядро. Эти исследования привели к единой цельной теории, обнаружившей новые законы движения электронов в атоме, ранее нам неизвестные. Эта теория получила название квантовой, или волновой, теории материи. К ней мы еще вернемся.

Примерно с 1930 г. основное внимание было направлено на атомное ядро. Ядро нас особенно интересует, потому что в нем сосредоточена почти вся масса атома. А масса есть мера того запаса энергии, которой обладает данная система.

Каждый грамм любого вещества заключает в себе точно известную энергию и притом весьма значительную. Так, например, в стакане чаю, который весит примерно 200 г., заключено количество энергии, для получения которой нужно было бы сжечь около миллиона тонн угля.

Эта энергия находится именно в атомном ядре, потому что 0.999 всей энергии, всей массы тела заключает в себе ядра и только меньше 0.001 всей массы может быть отнесено к энергии электронов. Колоссальные запасы энергии, находящиеся в ядрах, несравнимы ни с какойформой энергии, какую мы знали до сих пор.

Естественно, заманчива надежда обладать этой энергией. Но для этого сначала нужно изучить ее, а затем найти пути для ее использования.

Но, кроме того, ядро интересует нас и по другим причинам. Ядро атома целиком определяет всю природу его, определяет его химические свойства и его индивидуальность.

Если железо отличается от меди, от углерода, от свинца, то различие это лежит именно в атомных ядрах, а не в электронах. Электроны у всех тел одни и те же, и любой атом может потерять часть своих электронов вплоть до того, что могут быть сорваны все электроны с атома. Пока цело и неизменно атомное ядро со своим положительным зарядом, оно всегда притянет к себе столько электронов, сколько необходимо для компенсации его заряда. Если в ядре серебра 47 зарядов, то оно всегда присоединит к себе 47 электронов. Поэтому, пока целю ядро, мы имеем дело с тем же самым элементом, с тем же самым веществом. Стоит изменить ядро, как из одного химического элемента получается другой. Только тогда осуществилась бы давняя и давно уже за безнадежностью оставленная мечта алхимии – превращения одних элементов в другие. На современном этапе истории эта мечта осуществилась, не совсем в тех формах и не теми результатами, которые ожидались алхимиками.

Что мы знаем об атомном ядре? Ядро в свою очередь состоит из еще более мелких составных частей. Эти составные части представляют собой простейшие известные нам в природе ядра.

Самое легкое и потому самое простое ядро – это ядро атома водорода. Водород – первый элемент периодической системы с атомным весом около 1. Ядро водорода входит в состав всех других ядер. Но, с другой стороны, легко видеть, что все ядра не могут состоять только из водородных ядер, как давно, уже более 100 лет назад, предполагал Проут.

Ядра атомов обладают определенной массой, которая дается атомным весом, и определенным зарядом. Заряд ядра задает тот номер, который данный элемент занимает в периодической системе Менделеева.

Водород в этой системе – первый элемент: у пего один положительный заряд и один электрон. Второй по порядку элемент имеет ядро с двойным зарядом, третий – с тройным и т.д. вплоть до самого последнего и самого тяжелого из всех элементов – урана, ядро которого имеет 92 положительных заряда.

Менделеев, систематизируя громадный опытный материал в области химии, создал периодическую систему. Он, конечно, не подозревал в то время о существовании ядер, но не думал, что порядок элементов в созданной им системе определяется просто зарядом ядра и ничем больше. Оказывается, что эти две характеристики атомных ядер – атомный вес и заряд – не соответствуют тому, что мы могли бы ожидать, исходя из гипотезы Проута.

Так, второй элемент – гелий имеет атомный вес 4. Если он состоит из 4 ядер водорода, то и заряд его должен был бы быть 4, а между тем заряд его 2, потому что это второй элемент. Таким образом, нужно думать, что в гелии всего 2 ядра водорода. Ядра водорода мы называем протонами. Но у кроме того, в ядре гелия есть еще 2 единицы массы, которые заряда не имеют. Вторую составную часть ядра приходится считать незаряженным ядром водорода. Приходится различать ядра водорода, обладающие зарядом, или протоны, и ядра, не обладающие совсем электрическим зарядом, нейтральные, их мы называем нейтронами.

Все ядра состоят из протонов и нейтронов. В гелии 2 протона и 2 нейтрона. В азоте 7 протонов и 7 нейтронов. В кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, в углероде С протонов и 6 нейтронов.

Но дальше эта простота несколько нарушается, число нейтронов становится все больше и больше но сравнению с числом протонов, и в самом последнем элементе – уране имеется 92 заряда, 92 протона, а атомный вес его 238. Следовательно, к 92 протонам прибавлено еще 146 нейтронов.

Конечно, нельзя думать, что то, что мы знаем в 1940 г., есть уже исчерпывающее отображение реального мира и многообразие заканчивается на этих частицах, которые являются элементарными в буквальном смысле слова. Понятие элементарности означает только определенный этап в нашем проникновении в глубь природы. На данном этапе мы знаем, однако, состав атома лишь вплоть до этих элементов.

Эта простая картина па самом деле была выяснена не так легко. Пришлось преодолеть целый ряд затруднений, целый ряд противоречий, которые и момент своего выявления казались безвыходными, но которые, как всегда в истории науки, оказались только различными сторонами более общей картины, представлявшей собою синтез того, что казалось противоречием, и мы переходили к следующему, более глубокому пониманию проблемы.

Важнейшим из этих затруднений оказалось следующее: в самом начале нашего столетия было уже известно, что из недр радиоактивных атомов (о ядре тогда еще не подозревали) вылетают б-частицы (они оказались ядрами гелия) и в-частицы (электроны). Казалось, то, что вылетает из атома, это и есть то, из чего он состоит. Следовательно, казалось, ядра атомов состоят из ядер гелия и электронов.

Ошибочность первой части этого утверждения ясна: очевидно, что невозможно составить ядро водорода из вчетверо более тяжелых ядер гелия: часть не может быть больше целого.

Оказалась неверной и вторая часть этого утверждения. Электроны действительно вылетают при ядерных процессах, и тем не менее электронов в ядрах нет. Казалось бы, здесь – логическое противоречие. Так ли это?

Мы знаем, что атомы испускают свет, световые кванты (фотоны).

Что же эти фотоны запасены в атоме в виде света и ждут момента для вылета? Очевидно, нет. Мы понимаем испускание света таким образом, что электрические заряды в атоме, переходя из одного состояния в другое, освобождают некоторое количество энергии, которая переходит в форму лучистой энергии, распространяющейся в пространстве.

Аналогичные соображения можно высказать и относительно электрона. Электрон по целому ряду соображений не может находиться в атомном ядре. Но он не может и создаваться в ядре, как фотон, потому что обладает отрицательным электрическим зарядом. Твердо установлено, что электрический заряд так же, как и энергия и материя в целом, остается неизменным; общее количество электричества нигде не создается и нигде не исчезает. Следовательно, если уносится отрицательный заряд, то ядро получает равный ему положительный заряд. Процесс испускания электронов сопровождается изменением заряда ядра. Но ядро состоитиз протопоп и нейтронов, значит, один из незаряженные нейтронов превратился в положительно заряженный протон.

Отдельный отрицательный электрон не может ни возникнуть, ни исчезнуть. Но два противоположных заряда могут при достаточном сближении взаимно скомпенсировать друг друга или даже совсем исчезнуть, выделив свой запас энергии в виде лучистой энергии (фотонов).

Какие же это положительные заряды? Удалось установить, что, кроме отрицательных электронов, в природе наблюдаются и могут быть созданы средствами лабораторий и техники положительные заряды, которые по всем своим свойствам: по массе, по величине заряда вполне соответствуют электронам, но только имеют положительный заряд. Такой заряд мы называем позитроном.

Таким образом, мы различаем электроны (отрицательные) и позитроны (положительные), отличающиеся только противоположным знаком заряда. Вблизи ядер могут происходить как процессы соединения позитронов с электронами, так и расщепления на электрон и позитрон, причем электрон уходит из атома, а позитрон входит в ядро, превращая нейтрон в протон. Одновременно с электроном уходит и незаряженная частица – нейтрино.

Наблюдаются и такие процессы в ядре, при которых электрон передает свой заряд ядру, превращая протон в нейтрон, а позитрон вылетает из атома. Когда из атома вылетает электрон, заряд ядра увеличивается на единицу; когда вылетает позитрон или протон, заряд и номер в периодической системе уменьшается на одну единицу.

Все ядра построены из заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Спрашивается, какими силами они сдерживаются в атомном ядре, что их связывает между собой, что определяет построение различных атомных ядер из этих элементов?

• Перевод

Наша Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий не так давно стала настолько полной, насколько вообще можно было желать. Все до единой элементарные частицы – во всех их возможных видах – создали в лаборатории, измерили, и для всех определили свойства. Дольше всех державшиеся верхний кварк, антикварк, тау-нейтрино и антинейтрино, и, наконец, бозон Хиггса, пали жертвами наших возможностей.

А последняя – бозон Хиггса – ещё и решила старую задачу физики: наконец, мы можем продемонстрировать, откуда элементарные частицы берут свою массу!

Это всё круто, но наука-то не заканчивается в момент окончания решения этой загадки. Наоборот, она поднимает важные вопросы, и один из них, это «а что дальше?». Насчёт Стандартной модели можно сказать, что мы ещё не всё знаем. И для большинства физиков один из вопросов особенно важен – для его описания давайте сначала рассмотрим следующее свойство Стандартной модели.

С одной стороны, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействие могут быть очень важны, в зависимости от их энергий и расстояний, на которых происходит взаимодействие. Но с гравитацией всё не так.

Мы можем взять две любых элементарных частицы – любой массы и подверженной любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 10 40 раз слабее трёх оставшихся сил. К примеру, хотя они и не фундаментальные, но если вы возьмёте два протона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10 40 раз сильнее, чем гравитационное притяжение. Или, иными словами, нам нужно увеличить силу гравитации в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, чтобы сравнять её с любой другой из сил.

При этом нельзя просто увеличить массу протона в 10 20 раз, чтобы гравитация стянула их вместе, преодолевая электромагнитную силу.

Вместо этого для того, чтобы реакции вроде той, что проиллюстрирована выше, происходили спонтанно, когда протоны преодолевают их электромагнитное отталкивание, вам нужно собрать вместе 10 56 протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 10 56 протонов как раз составят минимальную возможную массу звезды.

Это описание того, как работает Вселенная – но почему она такая, мы не знаем. Почему гравитация настолько слабее остальных взаимодействий? Почему «гравитационный заряд» (т.е. масса) настолько слабее электрического или цветового, или даже слабого?

Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики. Ответ нам неизвестен, но нельзя сказать, что мы находимся в полном неведении. Теоретически у нас есть несколько хороших идей по поводу поиска решения, и инструмент для поиска доказательств их правильности.

Пока что Большой адронный коллайдер – самый высокоэнергетический из коллайдеров – достигал беспрецедентных уровней энергии в лабораторных условиях, собирал кучу данных и воссоздавал происходящее в точках столкновения. Сюда входят и создание новых, доселе невиданных частиц (таких, как бозон Хиггса), и появление старых, всем известных частиц Стандартной модели (кварки, лептоны, калибровочные бозоны). Также он способен, в случае их существования, произвести любые другие частицы, не входящие в Стандартную модель.

Существует четыре возможных способа, известных мне – то есть, четыре хороших идеи – решения проблемы иерархии. Хорошие новости в том, что если природа выбрала какой-то один из них, то БАК его найдёт! (А если нет, поиски продолжатся).

Кроме бозона Хиггса, найденного несколько лет назад, никаких новых фундаментальных частиц на БАК не нашли. (Более того, вообще не наблюдается никаких интригующих новых кандидатов в частицы). И ещё, найденная частица полностью соответствовала описанию Стандартной модели; никаких статистически важных намёков на новую физику замечено не было. Ни на композитные бозоны Хиггса, ни на множественные хиггсовские частицы, ни на нестандартные распады, ничего такого.

Но теперь мы начали получать данные от ещё более высоких энергий, в два раза больше предыдущих, до 13-14 ТэВ, чтобы найти что-нибудь ещё. И какие же в данном ключе есть возможные и разумные решения проблемы иерархии?

1) Суперсимметрия, или SUSY. Суперсимметрия – особая симметрия, способная заставить нормальные массы любых частиц, достаточно крупных для того, чтобы гравитация была сравнима с другими воздействиями, взаимно уничтожиться с большой степенью точности. Эта симметрия также предполагает, что у каждой частицы в стандартной модели есть суперчастица-партнёр, и что существует пять частиц Хиггса и пять их суперпартнёров. Если такая симметрия существует, она, должно быть, нарушена, или у суперпартнёров были бы такие же массы, как у обычных частиц, и их бы уже давно нашли.

Если SUSY существует на подходящем для решения проблемы иерархии масштабе, то БАК, дойдя до энергий в 14 ТэВ, должен найти хотя бы одного суперпартнёра, а также вторую частицу Хиггса. Иначе существование очень тяжёлых суперпартнёров само по себе приведёт ещё к одной проблеме иерархии, у которой не будет хорошего решения. (Что интересно, отсутствие SUSY-частиц на всех энергиях опровергнет теорию струн, поскольку суперсимметрия – это необходимое условие для теорий струн, содержащих стандартную модель элементарных частиц).

Вот вам первое возможное решение проблемы иерархии, у которого в настоящий момент нет никаких доказательств.

Имеется возможность создать крохотные сверхохлаждённые кронштейны, наполненные пьезоэлектрическими кристаллами (вырабатывающими электроэнергию при деформации), с расстояниями между ними . Эта технология позволяет нам наложить на «большие» измерения ограничения в 5-10 микрон. Иначе говоря, гравитация работает согласно предсказаниям ОТО на масштабах гораздо меньших миллиметра. Так что если и существуют большие дополнительные измерения, они находятся на уровнях энергий, недоступных для БАК, и что более важно, не решают проблему иерархии.

Конечно, для проблемы иерархии может найтись совершенно другое решение , которое на современных коллайдерах не найти, или решения ей вообще нет; это просто может быть свойство природы безо всякого объяснения для него. Но наука не будет продвигаться без попыток, и именно это пытаются делать эти идеи и поиски: продвигать наши знания о Вселенной вперёд. И, как всегда, с началом второго запуска БАК я с нетерпением ожидаю того, что там может появиться, кроме уже открытого бозона Хиггса!

Теги:

• гравитация
• фундаментальные взаимодействия
• бак

Ниже приведён список нерешённых проблем современной физики . Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления. Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бомльшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

• 1. Квантовая гравитация. Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)? Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
• 2. Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга. Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется? Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры? Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черных дыр. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению черной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом. Неизвестно доказательство в общем случае "теоремы об отсутствии волос" у чёрной дыры.
• 3. Размерность пространства-времени. Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество? Является ли размерность «3+1» (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего «3+1»-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью «2+1»?
• 4. Инфляционная модель Вселенной. Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
• 5. Мультивселенная. Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантово-механические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения? Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических дилемм?
• 6. Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии. Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно? В последнее время появились факты в пользу несостоятельности гипотезы космической цензуры, а значит голые сингулярности должны встречаться гораздо чаще, чем только лишь как экстремальные решения уравнений Керра -- Ньюмена, тем не менее неоспоримых доказательств этому представлено ещё не было. Аналогично, будут лизамкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении) исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
• 7. Ось времени. Что могут сказать нам о природе времени явления, которые отличаются друг от друга хождением по времени вперёд и назад? Чем время отличается от пространства? Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются только в некоторых слабых взаимодействиях и более нигде? Являются ли нарушения CP-инвариантности следствием второго закона термодинамики или же они являются отдельной осью времени? Есть ли исключения из принципа причинности? Является ли прошлое единственно возможным? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или это просто результат особенностей сознания? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом? (См. также ниже Энтропия (ось времени)).
• 8. Локальность. Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
• 9. Будущее Вселенной. Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?
• 10. Проблема иерархии. Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10 19 ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
• 11. Магнитный монополь. Существовали ли частицы -- носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.)
• 12. Распад протона и Великое объединение. Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
• 13. Суперсимметрия. Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
• 14. Поколения материи. Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
• 15. Фундаментальная симметрия и нейтрино. Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества? Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?
• 16. Квантовая теория поля. Совместимы ли принципы релятивистской локальной квантовой теории поля с существованием нетривиальной матрицы рассеяния?
• 17. Безмассовые частицы. Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?
• 18. Квантовая хромодинамика. Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
• 19. Атомное ядро и ядерная астрофизика. Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
• 20. Остров стабильности. Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?
• 21. Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом). Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
• 22. Физическая информация. Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
• 23. Теория всего («Теории Великого объединения»). Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
• 24. Калибровочная инвариантность. Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?
• 25. CP-симметрия. Почему не сохраняется CP-симметрия? Почему она сохраняется в большинстве наблюдаемых процессов?
• 26. Физика полупроводников. Квантовая теория полупроводников не может точно вычислить ни одной постоянной полупроводника.
• 27. Квантовая физика. Неизвестно точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов.
• 28. При решении задачи о рассеянии двух пучков на одном препятствии сечение рассеяния получается бесконечно большим.
• 29. Фейнманиум: Что будет происходить с химическим элементом, атомный номер которого окажется выше 137, вследствие чего 1s 1 -электрону придётся двигаться со скоростью, превышающей скорость света (согласно модели атома Бора)? Является ли «Фейнманиум» последним химическим элементом, способным существовать физически? Проблема может проявиться приблизительно на 137 элементе, где расширение дистрибуции заряда ядра достигает финальной точки. Смотрите статью Расширенная периодическая таблица элементов и секцию Relativistic effects.
• 30. Статистическая физика. Отсутствует систематическая теория необратимых процессов, дающая возможность проводить количественные расчёты для любого заданного физического процесса.
• 31. Квантовая электродинамика. Существуют ли гравитационные эффекты, вызываемые нулевыми колебаниями электромагнитного поля? Неизвестно, как при вычислениях квантовой электродинамики в области высоких частот одновременно выполнить условия конечности результата, релятивистской инвариантности и суммы всех альтернативных вероятностей, равной единице.
• 32. Биофизика. Отсутствует количественная теория для кинетики конформационной релаксации белковых макромолекул и их комплексов. Отсутствует законченная теория электронного переноса в биологических структурах.
• 33. Сверхпроводимость. Невозможно теоретически предсказать, зная структуру и состав вещества, перейдёт ли оно в сверхпроводящее состояние с понижением температуры.

Любая физическая теория, которая противоречит

существованию человека, очевидно неверна.

П. Девис

Что нам требуется, так это дарвиновский взгляд на физику, эволюционный взгляд на физику, биологический взгляд на физику.

И. Пригожин

До 1984 г. большинство учёных верили в теорию суперсимметрии (супергравитации, суперсилы) . Суть её в том, что все частицы (частицы вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) – разные виды одной “суперчастицы”.

Эта “суперчастица” или “суперсила” с понижением энергии предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия, как электромагнитная и гравитационная силы. Но сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории (нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере заняла бы более 4 лет. С. Вайнберг считает, что физика вступает в эру, когда эксперименты уже не в состоянии пролить свет на фундаментальные проблемы (Девис 1989; Хокинг 1990: 134; Налимов 1993: 16).

В 80-х гг. становится популярной струнная теория . Под редакцией П. Девиса и Дж. Брауна в 1989 г. выходит книга с характерным названием Сверхструны: теория всего ? Согласно теории, микрочастицы – не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и открытостью. Частицы – волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке. Испускание частицы – соединение, поглощение частицы-переносчика – разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне (Хокинг 1990: 134-137).

Теория квантового поля поместила наши размышления о природе материи в новый контекст, разрешила проблему пустоты. Она заставила нас перевести взгляд с того, что “можно увидеть”, то есть частиц, на невидимое, то есть поле. Присутствие материи есть всего лишь возбуждённое состояние поля в данной точке. Придя к понятию квантового поля, физика нашла ответ на старый вопрос о том, из чего же состоит вещество – из атомов или континуума, лежащего в основе всего. Поле есть континуум, пронизывающий всё Пр, который, тем не менее, имеет протяжённую, как бы “гранулярную”, структуру в одном из своих проявлений, то есть в форме частиц. Теория квантового поля современной физики изменила представления о силах, помогает в решении проблем сингулярности и пустоты:

в субатомной физике нет сил, действующих на расстоянии, их заменяют взаимодействия между частицами, происходящие через посредство полей, то есть других частиц, не сила, а взаимодействие;

необходимо отказаться от противопоставления “материальные” частицы – пустота; частицы связаны с Пр и не могут рассматриваться в отрыве от него; частицы оказывают влияние на структуру Пр, они являются не самостоятельными частицами, а, скорее сгустками в беспредельном поле, пронизывающем всё Пр;

наша Вселенная рождается из сингулярности, вакуумной неустойчивости;

поле существует всегда и везде: оно не может исчезнуть. Поле есть проводник для всех материальных явлений. Это “пустота”, из которой протон создаёт π-мезоны. Возникновение и исчезновение частиц – лишь формы движения поля. Теория поля утверждает, что рождение частиц из вакуума и превращение частиц в вакуум происходят постоянно . Большинство физиков считают открытие динамической сущности и самоорганизации вакуума одним из важнейших достижений современной физики (Капра 1994: 191-201).

Но есть и нерешённые проблемы: обнаружено сверхточное самосогласование вакуумных структур, через которые выражаются параметры микро-частиц. Вакуумные структуры должны быть согласованы с точностью до 55-ого знака после запятой. За этой самоорганизацией вакуума стоят неизвестные нам законы нового типа. Антропный принцип 35 и есть следствие этой самоорганизации, суперсилы.

Теория S-матрицы описывает адроны, ключевое понятие теории было предложено В. Гейзенбергом, на этой основе учёные построили математическую модель для описания сильных взаимодействий. S-матрица получила своё название потому, что всю совокупность адронных реакций представили в виде бесконечной последовательности ячеек, которая в математике называется матрицей. Буква “S” сохранилась от полного названия этой матрицы – матрица рассеивания (scattering) (Капра 1994: 232-233).

Важным нововведением этой теории является то, что она переносит акценты с объектов на события, исследуются не частицы, а реакции частиц. По Гейзенбергу, мир делится не на различные группы объектов, а на различные группы взаимопревращений. Все частицы понимаются как промежуточные стадии в сети реакций. Например, нейтрон оказывается звеном в огромной сети взаимодействий, сети “переплетения событий”. Взаимодействия в такой сети не могут быть определены со стопроцентной точностью. Им можно приписать только вероятностные характеристики.

В динамическом контексте нейтрон может рассматриваться в качестве “связанного состояния” протона (р) и пиона (), из которых он образовался, а также в качестве связанного состояния частиц  и , которые образуются в результате его распада. Адронные реакции представляют собой поток энергии, в котором возникают и “исчезают” частицы (Капра 1994: 233-249).

Дальнейшее развитие теории S-матрицы привело к созданию бутстрэпной гипотезы , которую выдвинул Дж. Чу. Согласно гипотезе бутстрэпа, ни одно из свойств любого участка Вселенной не имеет фундаментального характера, все они обусловлены свойствами остальных участков сети, общая структура которой определяется универсальной согласованностью всех взаимосвязей.

Эта теория отрицает фундаментальные сущности (“кирпичики” материи, константы, законы, уравнения), Вселенная понимается как динамическая сеть взаимосвязанных событий.

В противоположность большинству физиков, Чу не мечтает о единственном решающем открытии, он видит свою задачу в медленном и постепенном создании сети взаимосвязанных понятий, ни одно из которых не является более фундаментальным, чем другие. В бутстрэпной теории частиц нет непрерывного Пр-Вр. Физическая реальность описывается в терминах изолированных событий, причинно связанных, но не вписанных в непрерывное Пр-Вр. Гипотеза бутстрэпа настолько чужда традиционному мышлению, что принимается меньшинством физиков. Большинство ищут фундаментальные составляющие материи (Капра 1994: 258-277, 1996: 55-57).

Теории атомной и субатомной физики выявили принципиальную взаимосвязанность различных аспектов существования материи, обнаружив, что энергия может переходить в массу, и, предположив, что частицы представляют собой скорее процессы, чем объекты.

Хотя поиск элементарных составляющих материи продолжается до сих пор, в физике представлено другое направление, исходящее из того, что строение мироздания нельзя сводить к каким-либо фундаментальным, элементарным, конечным единицам (фундаментальные поля, “элементарные” частицы). Природу следует понимать в самосогласованности. Эта идея возникла в русле теории S-матрицы, а в дальнейшем легла в основу гипотезы бутстрэпа (Налимов 1993: 41-42; Капра 1994: 258-259).

Чу надеялся осуществить синтез принципов квантовой теории, теории относительности (понятия макроскопического Пр-Вр), характеристик наблюдения и измерения на основе логической связности своей теории. Похожую программу разрабатывал Д. Бом и создал теорию имплицитного порядка . Он ввёл термин холодвижение , который используется для обозначения основы материальных сущностей и принимает во внимание как единство, так и движение. Начальной точкой для Бома является понятие “неделимой целостности”. Космической ткани присущ имплицитный, свёрнутый порядок, который можно описывать, пользуясь аналогией голограммы, в которой каждая часть содержит целое. Если осветить каждую часть голограммы, будет восстановлен весь образ. Некое подобие импликативного порядка свойственно и сознанию, и материи, поэтому он может способствовать связи между ними. В сознании, может быть, свёрнут весь материальный мир (Бом 1993: 11; Капра 1996: 56)!

Концепции Чу и Бома предполагают включение сознания в общую связь всего сущего. Доведённые до своего логического завершения, они предусматривают, что существование сознания, наряду с существованием всех остальных аспектов природы, необходимо для самосогласованности целого (Капра 1994: 259, 275).

Так философская проблема сознание–материя (проблема наблюдателя, проблема связи семантического и физического миров) становится серьёзной проблемой физики, “ускользая” от философов, об этом можно судить на основании:

возрождения идей панпсихизма при попытке объяснить поведение микрочастиц, Р. Фейнман пишет 36 , что частица “решает”, “пересматривает”, “обнюхивает”, “чует”, “идёт верным путём” (Фейнман и др. 1966: 109);

невозможности в квантовой механике разделить субъект и объект (В. Гейзенберг);

сильного антропного принципа в космологии, предполагающего сознательное сотворение жизни, человека (Д. Картер);

гипотез о слабых формах сознания, космическом сознании (Налимов 1993: 36-37, 61-64).

Физики пытаются включить сознание в картину физического мира. В книге П. Девиса, Дж. Брауна Дух в атоме говорится о роли процесса измерения в квантовой механике. Наблюдение мгновенно изменяет состояние квантовой системы. Изменение ментального состояния экспериментатора вступает в обратную связь с лабораторной аппаратурой и,  , с квантовой системой, изменяя её состояние. По Дж. Джинсу, природа и наш математически мыслящий ум работают по одним и тем же законам. В.В. Налимов находит параллели в описании двух миров, физического и семантического:

нераспакованный физический вакуум – возможность спонтанного рождения частиц;

нераспакованный семантический вакуум – возможность спонтанного рождения текстов;

распаковка вакуума есть рождение частиц и создание текстов (Налимов1993:54-61).

В.В. Налимов писал о проблеме раздробленности науки. Надо будет освободиться от локальности описания мироздания, при котором учёный оказывается озабоченным изучением некоего явления только в рамках своей узкой специальности. Существуют процессы, протекающие сходным образом на разных уровнях Универсума и нуждающиеся в едином, сквозном описании (Налимов 1993: 30).

Но пока современная физическая картина мира принципиально не завершена: самая сложная проблема физики – проблема объединения частных теорий, например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория гравитации не входит в теорию 3-х взаимодействий, в химии не учитывают строение ядра атома.

Не решена и проблема объединения в рамках одной теории 4 типов взаимодействий. До 30-х гг. считали, что существуют 2 типа сил на макроуровне – гравитационные и электромагнитные, но открыли слабое и сильное ядерные взаимодействия. Был открыт мир внутри протона и нейтрона (порог энергий выше, чем в центре звёзд). Будут ли открыты другие “элементарные” частицы?

Проблема объединения физических теорий связана с проблемой достижения высоких энергий . С помощью ускорителей вряд ли удастся возвести мост через пропасть планковской энергии (выше, чем 10 18 гига электрон-вольт) и того, что достигают сегодня в лаборатории в обозримом будущем.

В математических моделях теории супергравитации возникает проблема бесконечностей . В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы – старые философские вопросы: конечен или бесконечен мир в Пр-Вр? Если Вселенная расширяется из сингулярности планковских размеров, то куда она расширяется – в пустоту или происходит растяжение матрицы? Что окружало сингулярность – эту бесконечно маленькую точку до начала инфляции или наш мир “отпочковался” от Мегавселенной?

В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема многомерности Пр-Вр, например, электрон – это малая вибрирующая струна планковской длины в 6-мерном и даже в 27-мерном Пр. Существуют и другие теории, согласно которым наше Пр на самом деле не 3-мерно, а, например, 10-мерно. Предполагается, что во всех направлениях, кроме 3 (х, у, z), Пр как бы свёрнуто в очень тонкую трубочку, “скомпактифицировано”. Поэтому мы можем двигаться лишь в 3 разных, независимых направлениях и Пр представляется нам 3-мерными. Но почему, если есть иные меры, развернулись только 3 Пр и 1 Вр меры? С. Хокинг иллюстрирует путешествие в разных измерениях примером бублика: 2-мерный путь по поверхности бублика длиннее пути через третье, объёмное измерение (Линде 1987: 5; Хокинг 1990: 138).

Другой аспект проблемы многомерности – проблема иных, не одномерных для нас миров. Существуют ли параллельные Вселенные 37 , неодномерные нам, и, наконец, могут ли существовать иные, неодномерные для нас формы жизни, разума? Теория струн допускает существование иных миров во Вселенной, существование 10- или 26-мерное Пр-Вр. Но если существуют иные меры, почему мы их не замечаем?

В физике и во всей науке возникает проблема создания универсального языка : наши обычные понятия не могут быть применены к строению атома. На абстрактном искусственном языке физики, математики процессы, паттерны современной физики не описываются. Что означают такие характеристики частиц как “очарованный” или “странный” ароматы кварков или “шизоидные” частицы? Это один из выводов книги Дао физики Ф. Капры. Какой же выход: вернуться к агностицизму, восточной мистической философии?

Гейзенберг считал: математические схемы адекватнее отражают эксперимент, чем искусственный язык, обычные понятия не могут быть применены к строению атома, Борн писал о проблеме символов для отражения реальных процессов (Гейзенберг 1989: 104-117).

Может быть, попытаться вычислить базисную матрицу естественного языка (вещь – связь – свойство и атрибут), то, что будет инвариантно к любым артикуляциям и, не критикуя многообразие искусственных языков, попытаться “заставить” говорить на одном общем естественном языке? Стратегическая роль синергетики и философии в решении проблемы создания универсального языка науки рассматривается в статье Диалектическая философия и синергетика (Федорович 2001: 180-211).

Создание единой физической теории и теории УИ, единой Э человека и природы является предельно сложной задачей науки. Один из важнейших вопросов современной философии науки: предопределёно ли наше будущее и какова наша роль. Если мы часть природы, можем ли мы играть какую-то роль в формировании мира, который находится в процессе строительства?

Если Вселенная едина, то может ли существовать единая теория реальности? С. Хокинг рассматривает 3 варианта ответа.

Единая теория существует, и мы её когда-нибудь создадим. Так думал И. Ньютон; М. Борн в 1928 г. после открытия П. Дираком уравнения для электрона, написал: физика через полгода кончится.

Теории постоянно уточняются и совершенствуются. С позиций эволюционной эпистемологии, научный прогресс – совершенствование когнитивной компетенции вида Homo Sapiens (К. Халвег). Все научные понятия и теории – это лишь приближения к истинной природе реальности, значимые лишь для определённого диапазона явлений. Э научного знания есть последовательная смена моделей, но ни одна модель не окончательна.

До сих пор не решён парадокс эволюционной картины мира: нисходящее направление Э в физике и восходящая тенденция усложнения в биологии. Несовместимость физики и биологии обнаружилась в ХIХ в., сегодня наметилась возможность разрешения коллизии физика–биология: эволюционное рассмотрение Вселенной в целом, трансляция эволюционного подхода в физику (Стёпин, Кузнецова 1994: 197-198; Хазен 2000).

И. Пригожин, которого Э. Тоффлер в предисловии книги Порядок из хаоса назвал Ньютоном ХХ в., говорил в одном из интервью о необходимости ввести в физику идеи необратимости, истории. Классическая наука описывает стабильность, равновесие, но существует другой мир – нестабильный, эволюционный, нужны другие слова, другая терминология, которой не существовало во Вр Ньютона. Но даже после Ньютона и Эйнштейна у нас нет чёткой формулы сущности мира. Природа очень сложное явление и мы – неотъемлемая часть природы, часть Вселенной, которая находится в постоянном саморазвитии (Хорган 2001: 351).

Возможные перспективы развития физики следующие: завершение построения единой физической теории, описывающей 3-хмерный физический мир и проникновение в иные Пр-Вр измерения; изучение новых свойств материи, видов излучения, энергии и скоростей, превышающих скорость света (торсионное излучение) и открытие возможности мгновенного перемещения в Метагалактике (в ряде теоретических работ показана возможность существования топологических туннелей, соединяющих любые области Метагалактики, МВ); установление связи физический мир – семантический мир, что попытался сделать В.В. Налимов (Гиндилис 2001: 143-145).

Но главное, что предстоит сделать физикам: включить в свои теории эволюционную идею. В физике второй половины ХХ в. утверждается понимание сложности микро- и мегамиров. Изменяется и представление об Э физической Вселенной: нет существующего без возникающего . Д. Хорган приводит такие слова И. Пригожина: мы не отцы времени. Мы – дети времени. Мы появились в результате эволюции. То, что нам требуется сделать, – это включить эволюционные модели в наши описания. Что нам требуется, так это дарвиновский взгляд на физику, эволюционный взгляд на физику, биологический взгляд на физику (Пригожин 1985; Хорган 2001: 353).