Текст книги "Физика в технике"

Автор книги: Г. Покровский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 7 страниц)

НОВЕЙШИЙ ЭТАП В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ

Современное развитие физики и техники характерно тем, что и в теоретической физике, и в технике за последние шестьдесят лет достигнуты значительные успехи в овладении силами природы и использовании их в интересах человека.

На службу человеку пришла атомная энергия; на повестку дня поставлен вопрос об использовании в мирных целях термоядерной энергии, запасы которой практически неисчерпаемы.

Создание теории относительности коренным образом изменило наши представления о пространстве и времени, продвинуло вперед исследования микромира, структуры атомов и атомных ядер, «элементарных» частиц материи и различных физических полей.

Успехи в области изучения электрических и магнитных явлений позволили совершить гигантский скачок в технике радиосвязи, передаче и обработке информации.

Освоение техники полупроводниковых приборов сделало возможным создание быстродействующих, малогабаритных и экономичных электронных вычислительных машин. Это позволило приступить к конструированию станков с программным управлением, различного рода самонастраивающихся систем, решать многие задачи, которые ранее не могли быть решены из-за необходимости проводить сложнейшие и громоздкие вычисления.

В настоящее время созданы совершенно новые источники света, отличающиеся огромной яркостью и экономичностью.

Создание ядерных реакторов предоставило в руки людей поистине громадный и практически неисчерпаемый источник энергии, а работы в области ракетной техники сделали возможным /совершить первые полеты в космос.

Физические поля и элементарные частицы

Человек давно стремился объяснить такие, некогда загадочные, явления, как свет, земное притяжение, электрические и магнитные взаимодействия.

Еще в конце XVII – начале XVIII в. Ньютон предложил для объяснения взаимного притяжения материальных тел так называемую гипотезу дальнодействия. Согласно этой гипотезе тела, находящиеся в различных точках пространства, обладают свойством взаимно притягиваться без участия какой-либо промежуточной среды. Это является таким же первичным свойством тел, как их протяженность или инерция. При этом считалось, что всякое взаимодействие между телами происходит мгновенно, т. е. если с каким-либо телом из группы взаимодействующих тел произошли некоторые изменения (например, быстрое перемещение), то все остальные тела «узнают» об этом в это же самое мгновение.

Благодаря простоте математических формулировок и успехам применения теории всемирного тяготения к телам солнечной системы (расчеты траекторий небесных тел) гипотеза Ньютона получила в то время весьма широкое распространение.

Кроме гипотезы дальнодействия, существовала и гипотеза близкодействия Декарта.

Декарт считал, что взаимодействие между телами может передаваться и осуществляться только через некоторую промежуточную среду (эфир) и определяться свойствами последней.

На основе своей гипотезы Декарт создал полуколичественную теорию Вселенной, согласно которой взаимодействие тел между собой объяснялось вихревыми движениями эфира, заполняющего все мировое пространство.

Несмотря на то что гипотеза Декарта во многом уступала ньютоновской теории дальнодействия в количественном объяснении тяготения, она была более содержательной и материалистичной, что не могло не повлиять на ход развития дальнейших представлений на механизм взаимодействия тел.

Позднее А. Эйнштейном была создана новая теория тяготения, которая является более общей и более точной, чем теории Ньютона и Декарта. В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей, основываясь на идее близкодействия, дал картину электромагнитного поля как совокупности «натяжений» эфира, заполняющего все мировое пространство. Эта гипотеза Фарадея послужила основой для создания теории электромагнитного поля Дж. Максвеллом, который теоретически установил взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Согласно воззрениям Максвелла всякое изменение электрического поля вызывает в, окружающем пространстве появление магнитного поля, которое, в свою очередь, приводит к возникновению электрического поля. Таким образом, при изменении расстояния между какими-либо двумя противоположными электрическими зарядами или при изменении величины этих зарядов должна возникнуть электромагнитная, волна, распространяющаяся в пространстве с огромной скоростью – 300 000 км/сек. Этот процесс распространения в мировом эфире электрических и магнитных «натяжений», по мнению Максвелла, и является процессом распространения электромагнитной волны (рис. 4).

Опыты Герца, в результате которых были открыты электромагнитные волны, явились блестящим подтверждением наличия электромагнитного поля Фарадея – Максвелла.

Однако существование в окружающем пространстве мировой среды (эфира) должно каким-то образом проявляться при движении в нем материальных тел. Для этого в начале XX века был проведен ряд экспериментов по обнаружению «эфирного ветра».

Опыты Физо и Майкельсона – Морли были попыткой обнаружить «эфирный ветер» при движении Земли вокруг Солнца, однако они дали отрицательные результаты, что послужило основанием для отказа от гипотезы о существовании эфира. Таким образом, представление об электромагнитном поле как об особом состоянии эфира было заменено новым представлением: электромагнитное поле стало рассматриваться как особая форма существования материи.

В настоящее время теоретическая физика изучает различные типы физических полей: электромагнитное, гравитационное (или поле тяготения), мезонное, электронно-позитронное и др.

_{Рис. 4. Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне}

В современном представлении физические поля и «элементарные» частицы – электроны, протоны, нейтроны, различные типы мезонов – и другие частицы имеют много общего.

«Элементарные» частицы, по квантовой теории поля, суть кванты, т. е. «возбужденные» состояния соответствующего поля.

Любое состояние поля характеризуется его энергией, и в зависимости от величины этой энергии можно говорить о том или ином состоянии поля. Следует заметить, что возможны не любые состояния поля, а только вполне определенные, дискретные состояния, причем «возбужденные» состояния поля есть состояния с большей энергией.

Как говорилось выше, «элементарные» частицы являются квантами того или иного физического поля. Так, например, электроны являются квантами электронно-позитронного поля, фотоны – квантами электромагнитного поля и т. д.

Проявление квантовых особенностей различно для различных типов полей. Если кванты электромагнитного поля могут возникать в каком угодно количестве, причем их может возникнуть как четное, так и нечетное число, то кванты электронно-позитронного поля возникают только парами: одновременно с возникновением электрона возникает и позитрон, электрический заряд которого противоположен заряду электрона.

Скорости распространения взаимодействий для различных типов полей также различны. В то время как кванты электромагнитного поля (фотоны) распространяются со скоростью света (300 000 км/сек) и имеют массу покоя, равную нулю, кванты мезонных полей, обладая отличной от нуля массой покоя, распространяются с гораздо меньшей скоростью.

Поле, в котором отсутствуют кванты (т. е. поле, имеющее некоторую минимально возможную «наинизшую» энергию), называют «нулевым» полем или вакуумом. Таким образом, вакуум представляет собой вполне определенное состояние поля и вовсе не является абсолютно пустым пространством.

Построить полную и законченную теорию взаимодействующих полей очень трудно, и эта задача в настоящее время еще не завершена.

Над созданием единой теории поля работали такие выдающиеся (физики, как А. Эйнштейн и В. Паули.

В настоящее время в теоретической физике возникло и с успехом развивается новое направление, ставящее целью построить единую теорию поля, основываясь па так называемых «самодействиях», т. е. взаимодействиях некоторой «праматерии», как ее условно называют физики, самое с собой. Это направление получило название нелинейной теории материи. В разработке и построении такой теории принимают участие известный физик, один из основоположников ква, нто, вой механики В. Гейзенберг, советские физики Д. Д. Иваненко, А. М. Бродский и другие.

Успехи, достигнутые за короткое время при разработке и построении этой теории (были теоретически получены массы почти всех «элементарных» частиц; показана необходимость введения некоторой минимально возможной «элементарной» длины, характеризующей структуру любого типа поля и в том числе вакуума и являющейся по существу границей тех закономерностей в микромире, которые еще могут описываться современной квантовой физикой), позволяют надеяться, что рано или поздно будет создана единая «нелинейная» теория материи и тем самым будет сделан еще один шаг на пути познания бесконечно разнообразного в качественном и количественном отношениях окружающего нас мира.

Теория относительности и ускорители частиц

Теория относительности, которая изучает законы движения материальных тел в пространстве и во времени, и квантовая механика, описывающая микромир с его особенностями, взаимно дополняют друг друга и являются теми инструментами, при помощи которых наука открывает новые законы и глубже познает природу.

В повседневной жизни мы встречаемся с чрезвычайно разнообразными процессами и явлениями, скорость протекания которых различна. Известно, что развитие животных и растений происходит в течение месяцев, лет и десятков лет. Но в природе существуют процессы, длительность которых измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды.

Так, электрическая искра, возникающая при разряде конденсатора, «живет» от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд, а время «жизни» некоторых «элементарных» частиц может составлять 10⁻¹⁴—10⁻¹⁵ секунды.

До появления приборов, с помощью которых можно было измерять такие малые промежутки времени, люди пользовались законами, справедливыми для небольших (по сравнению со скоростью света) скоростей. Вся классическая физика, и в частности механика, строилась на предположении о независимости хода процессов в материальной системе от скорости этой системы относительно других систем.

Принцип относительности Галилея, заключающийся в том, что никакими механическими опытами нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение системы, в которой находится наблюдатель, утверждал, что при сложении двух одинаково направленных скоростей v₁ и v₂ результирующая скорость равна v₁ + v₂. Однако, как выяснилось впоследствии, дело обстоит гораздо сложнее: при скорости v, соизмеримой со скоростью света с, действует иной закон сложения скоростей, а именно:

Подсчитаем результирующую скорость, гели v₁ =v₂=с. В этом случае

т. е. результирующая скорость также равна скорости света с. Но не противоречит ли полученный результат здравому смыслу? Почему же в действительности справедлив новый закон, а не старый?

Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить опыты Майкельсона, в результате которых удалось сделать поистине парадоксальный вывод: скорость света является абсолютно постоянной в любых движущихся материальных системах. Опыт Майкельсона иллюстрируется рис. 5.

Луч света от источника падает на полупрозрачное зеркало 3, где делится на два луча.

_{Рис. 5. Ход лучей в интерферометре Майкельсона}

Луч, отраженный от зеркала, дойдя до отражателя О₁ возвращается по тому же пути обратно и попадает на экран. Луч, прошедший через зеркало, дойдя до отражателя O₂, возвращается к зеркалу, отражается от него и попадает на экран.

Таким образом, на экран падают одновременно два луча, колебания в которых имеют одну и ту же частоту и одинаковый сдвиг фаз. На экране можно наблюдать сложение (интерференцию) этих двух лучей в виде чередующихся светлых и темных полос.

Если бы существовал абсолютно неподвижный и неувлекаемый мировой эфир, то при движении Земли вокруг Солнца существовал бы «эфирный ветер».

В этом случае луч света, движущийся по направлению движения Земли, имел бы меньшую скорость, чем луч света, движущийся в противоположную сторону. Это должно было бы привести к изменению (смещению) интерференционных полос на экране при повороте всей системы относительно направления движения Земли.

Опыт показал, что никакого смещения интерференционных полос при вращении всей установки (при этом плечи I и II менялись местами) не произошло. Таким образом было доказано, что скорость света в движущейся системе постоянна и не зависит от скорости самой движущейся системы.

Наблюдение Де Ситтера за движением двойных звезд также доказало тот факт, что скорость света всегда постоянна.

Из этого сделали вывод, что постоянство скорости света – закон природы, его следует принимать во внимание и строить на нем теорию объективно существующего физического мира.

Здесь следует рассказать о теории относительности. Теория относительности, созданная Эйнштейном, по существу основывается на постоянстве скорости света и на так называемом принципе относительности, заключающемся в том, что никакими опытами (ни механическими, ни электромагнитными) нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение относительно пустого пространства.

Принцип относительности Эйнштейна является более общим по сравнению с принципом относительности Галилея. По Галилею относительно только движение, а по Эйнштейну относительными являются и такие величины, как длина, масса любого тела и временной интервал, т. е. промежуток времени, прошедший между двумя какими-либо причинно-связанными событиями.

«Необычность» выводов теории относительности таких, как замедление времени в движущихся по отношению к «неподвижному» наблюдателю системах, сокращение тел в направлении их движения и т. д., является прямым следствием постоянства скорости света.

Относительность хода времени в движущихся друг относительно друга материальных системах хорошо иллюстрирует следующий мысленный опыт, показывающий, что два причинно-обусловленные события, одновременные в одной системе, оказываются неодновременными в другой системе.

Представим себе космическую ракету с космонавтом, проносящуюся мимо нас со скоростью, близкой к скорости света. Допустим, что (космонавт находится в центре ракеты и может с помощью электрических сигналов или световых лучей, воспринимаемых фотоэлементами, включать и выключать две лампочки, находящиеся на равных расстояниях от него в головной и хвостовой частях ракеты.

Что же увидит космонавт при включении лампочек (рис. 6, а)?

Поскольку скорость света постоянна во всех системах, она будет постоянна и в движущейся ракете. Так как лампочки находятся на одинаковых расстояниях от космонавта, он увидит, что после подачи сигнала обе они зажгутся одновременно. Сигнал пройдет до обеих лампочек за одинаковое время, и свет от них придет к наблюдателю также одновременно.

Наблюдателю, мимо которого проносится космический корабль, будет казаться, что сигнал, движущийся по направлению движения ракеты, вынужден догонять устройство включения передней лампочки, задняя же лампочка вместе со своим приемным устройством включения будет двигаться навстречу сигналу, распространяющемуся против движения ракеты.

Таким образом, сигнал, движущийся навстречу движению ракеты, быстрее включит заднюю лампочку, чем сигнал, распространяющийся вперед, включит переднюю (рис. 6, б).

Значит, в то время как космонавт увидит одновременное загорание двух лампочек, «неподвижный» наблюдатель увидит, что лампочки зажгутся неодновременно. Этот простой пример показывает, что два причинно-обусловленных события, одновременные в одной системе, оказываются неодновременными в другой системе, т. е. что время не является чем-то абсолютным.

_{Рис. 6. Для наблюдателя, находящегося в движущейся ракете, обе лампочки вспыхивают одновременно. Наблюдатель, мимо которого пролетает ракета, видит, что первой зажглась хвостовая лампочка}

В настоящее время теория относительности настолько глубоко вошла в теоретическую физику, что такой ее раздел, как, например, механика больших скоростей, не мыслим без этой теории.

Являясь наиболее точкой и общей, теория относительности открывает поистине неограниченные возможности в покорении человеком бесконечных просторов Вселенной.

В самом деле, если, с точки зрения «старой» физики, максимальное расстояние, на которое может проникнуть в космос человек, определяется всего несколькими десятками световых лет (при условии, что космический корабль будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света), то на основании эффекта замедления времени для движущейся ракеты, предсказанного теорией относительности, человек в течение своей жизни может как угодно далеко проникнуть в мировое пространство.

С точки зрения земного наблюдателя, время на ракете будет замедляться в раз, т. е. при приближении скорости ракеты v к скорости света с эффект замедления времени будет все более и более значительным.

Так, при скорости v = 0,9с время на движущейся ракете будет идти в 2,3 раза медленнее, при v = 0,99с – в 7,1 раза, а при v = 0,999с – в 22,3 раза. При этом необходимо заметить, что приведенные формулы справедливы лишь для случая, когда время разгона ракеты значительно меньше всего времени полета.

Каким же образом можно разогнать ракету до таких больших скоростей?

Этого можно добиться с помощью фотонных двигателей, в которых тяга создается за счет давления мощного потока светового излучения на зеркало-отражатель, установленный на ракете. В настоящее время получение необходимых для этой цели световых потоков еще не представляется возможным из-за целого ряда физических и технических трудностей, однако можно не сомневаться, что с развитием физики и техники постройка таких двигателей станет возможной и звездолеты понесут отважных космонавтов к мирам других солнц, отдаленных от нашей солнечной системы на десятки и сотни миллионов световых лет.

Другим примером применения теории относительности являются ускорители заряженных элементарных частиц вещества (электронов, протонов, ионов).

Чтобы овладеть энергией, заключенной внутри ядра атомов, необходима знать его внутреннее строение.

_{Рис. 7. Схема линейного ускорителя заряженных частиц}

Для этой цели еще в 30-х годах нынешнего столетия начались работы по созданию ускорителей заряженных частиц. Бомбардируя атомные ядра быстро движущимися частицами, например электронами или протонами, и изучая рассеяние этих частиц на ядрах-мишенях, можно получить сведения о структуре ядра и о ядерных силах.

Наряду с линейными ускорителями (рис. 7), в которых ускоряемые частицы, двигаясь прямолинейно, только один раз проходят участок разгона внешним электростатическим полем, широко применяются циклические ускорители – циклотроны, бетатроны, синхрофазотроны и др.

В циклических ускорителях частицы движутся по спирали или по замкнутому кругу, многократно пролетая участки разгона, где на них воздействует ускоряющее электрическое поле. При этом заряженные частицы поворачиваются постоянным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости траектории частицы. В циклотроне (рис. 8) частицы ускоряются переменным электрическим полем, подводимым к двум полым полудискам – дуантам. Двигаясь по спирали внутри дуантов, частица, пролетая в зазоре между ними, попадает в электрическое поле, в результате чего ее энергия увеличивается. Если частота переменного электрического поля, подводимого к дуантам, равна частоте обращения ускоряемых частиц в камере циклотрона, то говорят, что в этом случае имеет место резонанс и ускорение возможно.

_{Рис. 8. Схема циклического ускорителя заряженных частиц (циклотрон)}

При скоростях частиц, близких к скорости света, начинают сказываться эффекты, предсказываемые теорией относительности, которые приводят к увеличению массы ускоряемой частицы.

Период обращения частицы будет изменяться и перестанет быть равным постоянному периоду Т ускоряющего электрического поля. Это приведет к нарушению резонанса, в результате чего дальнейшее ускорение частиц станет невозможным. Таким образом, приходится изменять частоту ускоряющего электрического поля, чтобы в течение всего времени ускорения имел место резонанс.

Ускорители, в которых используют такой принцип, называют синхроциклотронами. В них можно разгонять протоны до энергий в миллиард электроновольт, в то время, как максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне не может превышать 100–200 миллионов электроновольт.

Для получения энергий частиц в миллиарды и десятки миллиардов электроновольт применяют синхрофазотроны, в которых наряду с изменяющимся по частоте переменным электрическим полем применяют и изменяющееся во времени магнитное поле. Благодаря этому траектория ускоряемых частиц близка к окружности.

В настоящее время созданы синхрофазотроны, позволяющие ускорять протоны до энергии в 30 миллиардов электроновольт.

Из сказанного понятно, какое значение имеет теория относительности в области высоких энергий для дальнейшего углубления наших знаний о строении материи.