Текст книги "Шпаргалка по концепциям современного естествознания"
Автор книги: Анна Барышева
Соавторы: Алексей Кусков,А. Скорик
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]
22. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ГРАВИТАЦИОННОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ, СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ
Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:
– гравитационному;
– электромагнитному;
– сильному;
– слабому.
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии rдруг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:
F = G ? (m1m2)/r2. где G-гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теорией г' поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.
Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь является источником переменного магнитного поля.
Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и другими, – и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных современных технических средств.
Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодей-ствием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться.
Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.
В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.
23. СОЗДАНИЕ ТЕОРИИ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ
Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны, но все они могут быть отнесены к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Связаны ли эти виды фундаментальных взаимодействий между собой?
В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Теорию электрослабых сил нельзя считать полностью доказанной, но основная ее идея проверена многими опытами. Эта идея сводится к тому, что электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких форм, или компонентов. Этих компонентов в четыре раза больше, чем в электромагнитном поле.
Радиус действия слабых сил – приблизительно 10-16см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы, подобно электрическому и магнитному полям быстро движущегося заряда.
Что же происходит дальше? Тут и начинается область гипотез. Согласно большинству из них электрослабые взаимодействия объединяются с сильными приблизительно на масштабе 10 – 30 см. Но такие малые масштабы трудно представить.
Однако решающий эксперимент для проверки этого так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона.
Это процесс совершенно нового типа, при котором в нуклонах происходят уже не переходы одних кварков в другие, как при ?-распаде, а превращение кварков в антикварки и лептоны. Оказывается нарушенным закон сохранения барионного заряда. Вероятности таких превращений, конечно, очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя, – она бы рассыпалась на более легкие частицы.
Другое вероятное следствие Великого объединения – это существование «монополей», одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика.
АльбертЭйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь объединение электромагнитного взаимодействия со слабым и, возможно, сильным взаимодействиями, это будет, можно сказать, суперобъединение – все четыре силы природы сводятся к одной исходя из какого-то фундаментального принципа. Возможно, такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении Вселенной и быстром охлаждении образовавшегося вещества единое взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия, определивших структурную организацию материи.
Создание единой теории фундаментальных взаимодействий – одна из важнейших задач современного естествознания. Решение такой задачи потребует синтеза естественно-научных знаний о материальных объектах разных масштабов – от элементарных частиц до Вселенной. Эта теория обеспечит концептуальное обобщение знаний об окружающем нас мире.
24. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
Важнейшее свойство материи – ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц.
С биологической точки зрения самая крупная живая система – биосфера – состоит из биоценозов, содержащих множество популяций живых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные особи, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные части.
В современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звезд, галактик и Вселенной.
Материальные системы микро-, макро– и мегами-ра различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются.
Отношение самого большого размера к самому малому, составляющее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопления естественно-научных знаний об окружающем мире.
Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро– и мегамира.
Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только своими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, один моль любого вещества содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоянной Авогадро и примерно равное 6 х 1023моль-1.
Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро– и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро-и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественнонаучных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля и т. п.
Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие.
25. СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ
Материя – одно из фундаментальных понятий философии и науки. По определению В. И. Ленина, материя – философская категория для обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. Важнейшим свойством материи и материальных образований является ее системность и структурность.
Система – это комплекс взаимодействующих элементов, или, что одно и то же, ограниченное множество взаимодействующих элементов. Для системы обычно характерна иерархичность строения – последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.
Мы знаем, что непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов (нейтронов и протонов), нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и кварки не содержат более мелких частиц.
Поэтому в современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир.
К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Макромир составляют материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул. Мир планет, звезд, галактик и Вселенной образует мегамир.
Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Таким образом, можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.
Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только размерами, но и количественными характеристиками. Материальные объекты образуют целостную систему, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую надо затратить на «растаскивание» всей системы на отдельные ее части полностью.
С другой стороны, в классической физике различали два вида материи – вещество и поле. Вещество – это вид материи, обладающий массой покоя. В конечном счете вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном из электронов, протонов и нейтронов). В классической физике вещество и поле противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого представления. Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествлявшиеся в науке много веков.
Изучением свойств вещества в его различных агрегатных состояниях занимаются физика твердого тела, физика жидкостей и газов, физика плазмы. Свойства и структуру материи на микроскопическом уровне изучают атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. Распределение и структуру материи во Вселенной изучает астрофизика.
26. ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО
Материя – философская категория для обозначения объективной реальности, отражаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. В классических представлениях естествознания различают два вида материи – вещество и поле.
Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма свет – это поток частиц – квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет – это волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.
В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.
Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием.
Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.
С математической точки зрения поле – это произвольная функция или набор функций, координат и времени.
Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.
Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой фотоны, гравитационное взаимодействие – гравитоны, сильное взаимодействие – глюоны, слабое взаимодействие – векторные бозоны.
В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ известны четыре состояния: твердые тела, жидкости, газы, плазма.
27. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большинство элементарных частиц(мезоны, барионы)обладают внутренней структурой.
В 1920-е гг. были известны две частицы – электрон и протон, а также два вида взаимодействий – гравитационное и электромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.
Можно выделить два основных потока открытий новых элементарных частиц. Первый приходится на 1930-1950-е гг., когда прежде всего были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античастица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т. е. исчезновение частиц, причем их энергия превращается в другие формы.
Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. Концепция существования нейтрино спасла несколько физических законов. Причем один тип взаимодействует только с электроном, а другой – только с р-мезоном. Существование мезонов было предсказано Х. Юкавой в 1935 г. В 1937 г. был открыт первый мезон, но не тот (р-мезон). Предсказанный же Юкавой мезон был открыт в 1947 г. (р-мезон). Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям.
Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960–1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Использование стабильности частиц или времени их жизни в качестве критерия оказалось неэффективным.
Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди этих частиц дольше всех живет свободный нейтрон, меньше всех – нейтральный ж-мезон (10-16с). В конце 1960 г. был открыт новый класс частиц, получивший название резонансов. Эти частицы живут крайне мало: порядка 10-23с.
Стабильность протона, электрона, фотона и нейтрино означает, что они могут претерпевать изменения лишь при взаимодействиях с другими частицами.
Следует особо подчеркнуть, что существование античастиц не гипотетично, а модели с их использованием не являются плодом фантазии физиков. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если электрон от позитрона и протон от антипротона отличаются прежде всего знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейтрон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противоположном.
Античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево» и одновременно меняются знаки всех зарядов. Время в антимире течет от будущего к прошлому, а не от прошлого к будущему, как в мире.
28. ПРОБЛЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕГА– И МИКРОМИРА. БУДСТРАП-ПОДХОД
В современном естествознании все окружающие нас материальные объекты принять условно делить на микро-, макро– и мегамир. Одна из основных концепций естествознания говорит о единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.
Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются не только своими геометрическими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, например, Солнце состоит из колоссального числа частиц: 1 056ядер атомов водорода и примерно такого же количества ядер атомов гелия.
Свойства и особенности материальных объектов микро– и мегамира описываются разными теориями, принципами, законами.
При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.
Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаимодействие.
Существенное различие между материальными объектами микро– и макромира заключается в тождественности микрочастиц и индивидуальности мега-систем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако в природе не существует двух совершенно одинаковых мегасистем – все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и мо-лекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.
