Концепции современного естествознания

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2?3 или ?1?3 элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон -- из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.

Квамнтовое числом в квантовой механике -- численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т. д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы. Свойство тождественности выполняется не просто для частиц одного сорта, а для частиц одного сорта с одинаковыми квантовыми числами!

Некоторые квантовые числа связаны с движением в пространстве и характеризуют пространственное распределение волновой функции частицы. Это, например, радиальное (главное) (nr), орбитальное (l) и магнитное (m) квантовые числа электрона в атоме, которые определяются как число узлов радиальной волновой функции, значение орбитального углового момента и его проекция на заданную ось, соответственно.

Некоторые другие квантовые числа никак не связаны с перемещением в обычном пространстве, а отражают «внутреннее» состояние частицы. К таким квантовым числам относится спин и его проекция. В ядерной физике вводится также изоспин, а в физике элементарных частиц появляется цвет, странность, гиперзаряд, очарование, прелесть и истинность.

33. Частицы. Волновая модель

частица -- собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными

Волновая модель предполагает, что все проявления материи во Вселенной представлены вторичными носителями энергии - волновыми осложнениями поля КЭВ - волновыми телами. Волновыми телами или их фрагментами представлены объекты макромира: звезды, планеты, кометы и т.д.

Понятие «волновая модель» употребляют, когда хотят подчеркнуть функциональное единство ценового движения и форму этого движения или внутреннюю структуру самой модели.

научный мироздание человек закономерность

34. Волны Де Бройля. понятие корпускулярно-волнового дуализма

Корпускулярно-волновой дуализм -- это теория о том, что свет представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.

В частности, свет -- это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Волны де Бройля играют определяющую роль в строении вещества. Это связано с тем, что лишь те орбиты электронов в атомах оказываются стабильными, на длине 2r которых укладывается целое число волн де Бройля n = 2r. Квантовое число n указывает на число стоячих волн на разрешенной орбите электрона. Циркуляция электрона по разрешенной орбите стационарна по отношению к структуре эфира и не создает в нем возмущений, приводящих к бурному излучению энергии. Но движение следа электрона совершенно без затраты энергии не может иметь места -- электрон должен терять энергию при перемещении по разрешенной орбите. Эта потеря очень мала -- можно предполагать, что она того же порядка величины, что и расход энергии фотонами при их перемещении в космическом пространстве, характеризуемый постоянной Хаббла.

Длины волн де Бройля для атомов и молекул подчиняются общей закономерности = h/P. В газовой фазе для них = h (3mKT)-1/2, поскольку средняя кинетическая энергия корпускулы газа Е = 3/2 KT , где К -- постоянная Больцмана и Т -- абсолютная температура. Движение нуклонов в ядре также регламентируется волнами де Бройля. Поскольку нуклоны в -2.103 раз массивнее электронов, соответственно меньше и длины связанных с ними волн де Бройля и значительнее порции энергии, выделяемой при переходах между энергетическими уровнями -- кванты рентгеновских и гамма-лучей. По-видимому, нуклоны вращаются в ядре по орбитам вокруг общего центра тяжести с релятивистскими скоростями. Расположение их орбит обнаруживает закономерности, характерные для обол очечной модели ядра: ядро -- не капля, а сложная динамическая система. В то время, как нуклоны выступают в ядре, как отдельные объекты, партоны не являются таковыми: судя по невозможности их отдельного обнаружения, это, скорее всего, неразделимые ингредиенты структуры нуклона, прекращающие свое существование вместе с его разрушением.

35. Классификация элементарных частиц

Элементарная частица -- собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц.

Классификация

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

* фермионы -- частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

* бозоны -- частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

* адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

o мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

o барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

* лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 1018 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

* кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

* калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

o фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

o восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

o три промежуточных векторных бозона W+, W и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

o гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

36. Фундаментальные физические взаимодействия. Принципы дальнодействия и близкодействия

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществиться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, она происходит мгновенно. Это предположение положено в основу концепции дальнодействия.

Эксперементальные исследования э\м явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту, кроме того она находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности: Скорость передачи взаимодействия тел ограничена и не должна превышать скорости света в вакууме (300 000 км\с)

Именно эта специальная теория относительности легла в основу концепции близкодействия, которая распространяется не только, на э\м поля, но и на другие виды взаимодействий: Взаимодействие между телами осуществляется с помощью тех или иных полей, непрерывно распространяющихся в пространстве.

Различают четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое.

Электромагнитное взаимодействие.

По силе оно уступает только сильному взаимодействию, но зато более дальнодействующие, чем сильное. Участвуют все тела и частицы, выделенные электрическим зарядом. Обменными частицами служат не имеющий заряда фотон. Электромагнитное поле связано с электрическим и магнитным полями. Первое возникает при наличии электрических зарядов, а второе - при их движении.

Гравитационное взаимодействие

Самое универсальное. Оно действует везде и на всё. Зато - самое слабое Принято считать, что оно осуществляется с помощью обмена гравитонами.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие происходит между порионами, нуклонами и гиперонами. Оно происходит на расстояние 10 в минус 13 степени см. Одно из проявлений СВ - ядерные силы, открыты Резерфордом в 1911 г . одновременно с открытием атомного ядра. СВ в тысячи раз сильнее э\м.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие проявляется при расстоянии 10 в минус 18 степени см. в основном, проявляется при медленном распаде частиц, с превращением в более лёгкие. Этот вид взаимодействия назван слабым именно из-за этого перехода в разные состояния.

Все 4 взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Современная физика пришла к выводу, что все 4 фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия - суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все 4 взаимодействия объединяются в одно.

37. идея создания единой теории поля

Единая теория поля -это физическая теория, задачей которой является единое описание всех элементарных частиц , выведение свойств этих частиц, законов их движения, их взаимных превращений из неких универсальных законов, описывающих единую "первоматерию", различные состояния которой и соответствуют различным частицам.

Первым примером Единой теории поля была попытка Х. А. Лоренца объяснить всю инерцию электрона (т. е. вывести значение его массы) на основе классической электродинамики. Сам электрон выступал при этом в роли "сгустка" электромагнитного поля, так что управляющие его движением законы в конечном итоге должны были сводиться к законам, описывающим это поле. Последовательное проведение этой программы оказалось невозможным, но сама попытка "примирить" дискретное (электрон рассматривался как материальная точка) и непрерывное (электромагнитное поле), попытка единого описания разных фундаментальных видов материи возобновлялась и в более позднее время.

Развитие квантовых представлений показало, что задача состоит не в том, чтобы "примирить" частицы и поля, дискретное и непрерывное. Любые "частицы" и "поля" имеют двойственную природу, объединяя в себе как свойства корпускул, так и свойства волн. Однако при этом каждый из видов "волно-частиц" обладает своими индивидуальными свойствами, своими специфическими законами движения. У электрона эти законы другие, чем, например, у нейтрино или фотона. Открытие каждой новой "элементарной частицы" рассматривается в современной теории как обнаружение нового типа материи. По мере того как открывались новые частицы (а поскольку все частицы имеют и волновые свойства, можно сказать: новые типы полей), всё настоятельнее становилась потребность понять, почему их так много (сейчас уже более двухсот), объяснить их свойства и расшифровать, наконец, что означает само слово "элементарная" применительно к частице. Снова - уже на более высоком уровне - появились попытки единого описания материи.

Большую стимулирующую роль сыграла в этом отношении общая теория относительности А.Эйнштейна. В этой теории и законы тяготения, и уравнения движения притягивающихся масс получаются как следствие общих законов, определяющих гравитационное поле. Общая теория относительности связывает гравитацию с геометрическими свойствами пространства-времени. В некоторых работах делались попытки более широкой «геометризации» теории, т. е. вводились такие гипотезы, касающиеся геометрии, которые позволили бы включить в рассмотрение и электромагнитные поля, а также учесть квантовые эффекты. Такой «геометрический» подход очень привлекателен, но пока в этом направлении существенно продвинутся не удалось.

Совершенно новый подход - его можно назвать модельным - ведёт своё начало от работ Л. де Бройля по нейтринной теории света. В этих работах предполагается, что фотоны - кванты света - представляют собой пары "слившихся" нейтрино (отсюда название - "теория слияния"). Нейтрино не имеет электрического заряда, его масса покоя равна нулю и спин равен 1/2 (в единицах постоянной Планка). Сливаясь, два нейтрино могут образовать нейтральную частицу с нулевой массой и спином 1, т. е. с характеристиками фотона.

Нейтринная теория света, хотя и не свободная от недостатков, была первой в ряду моделей составных частиц. Среди них - модель Э. Ферми и Ян Чженьнина, рассматривающая p-мезон как связанное состояние нуклона и антинуклона, модель Сёити Саката (Япония), М. А. Маркова и Л. Б. Окуня, в которой все сильно взаимодействующие частицы строились из трёх фундаментальных частиц, и др.

Таким образом, Единая теория поля ещё не построена. Однако неразрывная связь между всеми частицами, универсальная взаимная превращаемость частиц, всё более явственно проявляющиеся черты единства материи заставляют искать пути перехода от современной квантовой теории поля, ограничивающейся констатацией многообразия форм материи, к единой теории, которая призвана это многообразие объяснить.

Больщое влияние на развитие Теоирии единого поля оказала Теория тяготения Эйнштейна. Какова же основная идея этой теории

Для того чтобы имитировать, например, сферическое поле тяготения Земли, нужны ускоренные системы с различным направлением ускорения в различных точках. Наблюдатели в разных системах, установив между собой связь, обнаружат, что они движутся ускоренно друг относительно друга, и тем самым установят отсутствие истинного поля тяготения. Таким образом, истинное поле тяготения не сводится просто к введению ускоренной системы отсчёта в обычном пространстве, или, говоря точнее, в пространстве-времени специальной теории относительности. Однако Эйнштейн показал, что если, исходя из принципа эквивалентности, потребовать, чтобы истинное гравитационное поле было эквивалентно локальным соответствующим образом ускоренным в каждой точке системам отсчёта, то в любой конечной области пространство-время окажется искривленным -- неевклидовым. Это означает, что в трёхмерном пространстве геометрия, вообще говоря, будет неевклидовой (сумма углов треугольника не равна p, отношение длины окружности к радиусу не равно 2p и т.д.), а время в разных точках будет течь по-разному. Таким образом, согласно теории тяготения Эйнштейна, истинное гравитационное поле является не чем иным, как проявлением искривления (отличия геометрии от евклидовой) четырёхмерного пространства-времени.

38. концепция пространства и времени

В основе современной концепции пространства - времени лежат два основных их свойства - абсолютность и относительность.

И пространство, и время характеризуются этими свойствами. И на многих страницах сайта эти свойства рассматривались подробно. У нас сейчас иная задача -показать единство абсолютного и относительного.

Современные представления о единстве пространства и времени позволяют рассматривать многоуровневость организации Материи как многоуровневые рычажные весы.

Из этих рычажных весов видно, что внешнее пространство и время (левая часть весов) для правой части являются абсолютными. Многоуровневое пространство и время в правой части весов, по отношению к левой части весов) являются относительными.

При этом любое пространство и время в правой части весов по отношению ко вложенным в них пространствам и времени -абсолютными, а по отношению к пространствам и времени, в которое они вложены, они являются относительными.

Таким образом, пространство-время на каждом уровне иерархии характеризуется единством внешнего (абсолютного)т и внутреннего (относительного). В результате на всех уровнях иерархии каждое пространство-время характеризуется соразмерностью с любым другим пространством -временем.

формируя Единую Периодическую систему "Пространства-Времени".

Пространство -- понятие, используемое (непосредственно или в составе сложных терминов) в естественных языках, а также в таких разделах знания, как философия, математика, физика и т. п.

Время -- одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание.

В диалектическом материализме время -- это объективно реальная форма существования движущейся материи, характеризующая последовательность развёртывания материальных процессов, отделённость друг от друга разных стадий этих процессов, их длительность, их развитие.

39. Общая хар-ка спец. теории относительности

Специальная теория относительности, созданная в 1905г. А. Эйнштейном, сформулировала обобщенный принцип относительности: никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными), производимыми внутри данной системы отчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. Из двух принципов - постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея- математически следуют все положения специальной теории относительности. Следует подчеркнуть, что эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. Эйнштейн показал, что происходит замедление течение времени в движущейся системе по отношению 0к неподвижной. Время необратимо. Отсюда известный парадокс близнецов. Теория относительности доказала, что не существует абсолютного времени, ни абсолютного пространства. В этой теории мы наблюдаем неразрывную связь относительного и абсолютного как одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то и связь пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина. В общей теории относительности Эйнштейн расширяет принцип относительности на неинерциальные системы. Пример луча света в лифте АВ и АС. Общая теория относительности заменяет закон тяготения Ньютона новым уравнением тяготения. В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства- времени определяется распределением масс материи. Согласно теории Эйнштейна, если бы все материальные вещи исчезли бы, то пространство и время тоже бы исчезли.

40. Общая характеристика ОТО. Понятие пространственно-временного континуума

Общая теория относительности: Массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени.

Чем сильнее поле, тем медленнее течёт время. Изменение гравитационного поля распределяется в вакууме со скоростью света.

Итак, теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Т.е. время и пространство - относительны. Они перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырёхмерном континууме.

Прострамнство-времмя -- физическая модель, дополняющая пространство временнымм измерением и, таким образом, создающая новую теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом. В соответствии с теорией относительности, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение.

41. Понятие гравитационного коллапса. Радиус Шварцшильда

Гравитационный коллапс -- катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше трёх солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах ядерного расщепляющегося материала они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то коллапс продолжается до её превращения в чёрную дыру.

так называемого сингулярного, состояния, когда понятие пространства и времени не имело привычного нам смысла, а наш мир был совершенно иным - невообразимо горячим и плотным. По современным представлениям, расширение наблюдаемой части Вселенной происходит вследствие того, что все объекты материального мира, вплоть до самых удаленных галактик, образовались из вещества, невообразимо громадные массы которого разлетелись примерно 15-20 млрд. лет назад из некоторой небольшой области, комка или даже точки.

сингулярности, т.е. такой области в пространстве-времени, где температура и плотность вещества принимают бесконечные значения, а известные нам сегодня законы физики теряют свою силу.

Гравитационный радиус (или радиус Шварцшильда) в Общей теории относительности (ОТО) представляет собой характерный радиус, определённый для любого физического тела, обладающего массой: это радиус сферы, на которой находился бы горизонт событий, создаваемый этой массой, если бы она была распределена сферически-симметрично, была бы неподвижной (в частности, не вращалась), и целиком лежала бы внутри этой сферы.

По величине гравитационный радиус в ОТО совпадает с радиусом сферически-симметричного тела, для которого в классической механике вторая космическая скорость на поверхности была бы равна скорости света. На важность этой величины впервые обратил внимание Джон Мичелл в своём письме к Генри Кавендишу, опубликованном в 1784 году. В рамках ОТО гравитационный радиус впервые вычислил в 1916 году Карл Шварцшильд (см. метрика Шварцшильда).

Гравитационный радиус пропорционален массе тела m и равен rg = 2Gm / c2, где G -- гравитационная постоянная, с -- скорость света в вакууме. Это выражение можно записать как , rgволнистое равно1,48*10 в -27 степени ,где rg измеряется в метрах, а m -- в килограммах. Для астрофизики удобной является запись rgволнистое равно2,95(m/M) км, где M -- масса Солнца.

Гравитационный радиус обычных астрофизических объектов ничтожно мал по сравнению с их действительным размером; так, для Земли rg = 8,84 мм, для Солнца rg = 2,95 км. Исключение составляют нейтронные звёзды и гипотетические кварковые звёзды. Например, для типичной нейтронной звезды радиус Шварцшильда составляет около 1/3 от её собственного радиуса. Это обусловливает важность эффектов ОТО при изучении таких объектов.

Если тело сжать до размеров гравитационного радиуса, то никакие силы не смогут остановить его дальнейшего сжатия под действием сил тяготения. Такой процесс, называемый релятивистским гравитационным коллапсом, может происходить с достаточно массивными звёздами (как показывает расчёт, с массой больше двух солнечных масс) в конце их эволюции: если, исчерпав ядерное «горючее», звезда не взрывается и не теряет массу, то, сжимаясь до размеров гравитационного радиуса, она должна испытывать релятивистский гравитационный коллапс. При гравитационном коллапсе из-под сферы радиуса rg не может выходить никакое излучение, никакие частицы. С точки зрения внешнего наблюдателя, находящегося далеко от звезды, с приближением размеров звезды к rg время неограниченно замедляет темп своего течения. Поэтому для такого наблюдателя радиус коллапсирующей звезды приближается к гравитационному радиусу асимптотически, никогда не становясь меньше его.

Физическое тело, испытавшее гравитационный коллапс, как и тело, радиус которого меньше его гравитационного радиуса, называется чёрной дырой. Сфера радиуса rg совпадает с горизонтом событий невращающейся чёрной дыры. Для вращающейся чёрной дыры горизонт событий имеет форму эллипсоида, и гравитационный радиус даёт оценку его размеров. Радиус Шварцшильда для сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики равен примерно 16 миллионам километров[1]. Радиус Шварцшильда сферы, равномерно заполненной веществом с плотностью, которая равна критической плотности, совпадает с радиусом наблюдаемой Вселенной.

Чёрная дыра -- область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

42. Принципы современной физики. Законы сохранения

Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Если известны свойства симметрии системы, как правило, можно найти для нее закон сохранения и наоборот.

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются:

закон сохранения энергии;

закон сохранения импульса;

закон сохранения момента импульса.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов сохранения и принципов симметрии. Одни из этих принципов выполняются при любых взаимодействиях, другие же - только при сильных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних принципах симметрии, которые действуют в микромире.

1) Закон сохранения энергии в механических процессах

Механическая энергия подразделяется на два вида: потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая - движущиеся. И потенциальная и кинетическая энергии изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.

Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называется полной механической энергией. Поэтому закон сохранения энергии можно сформулировать так: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается постоянной.

Основное содержание закона сохранения энергии заключается не только в установлении факта сохранения полной механической энергии, но и в установлении возможности взаимных превращений кинетической и потенциальной энергий в равной Количественной мере при взаимодействии тел.

2) Закон сохранения импульса

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел - от планет и звезд до атомов и электронов, элементарных частиц - показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной.

Система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему, называется замкнутой. Таким образом, в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса.

3) Закон сохранения момента импульса

Момент импульса - физическая величина, характеризующая количество вращательного движения. Подчиняется закону сохранению, вытекающему из изотропности пространства.

Все вращающиеся тела обладают моментом импульса. Из формулы для расчета момента импульса L=mVr, где m - масса, V - скорость, r - радиус, видно, что с уменьшением радиуса должна возрастать скорость.

Сохранение момента импульса происходит как в процессах микромира, так и в масштабах вращающихся звезд и галактик - он имеет всеобщий характер.

В картине мира современной физики фундаментальную роль играет принцип эквивалентности, согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени (в которой его можно считать однородным и постоянным во времени) по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета.

Принцип эквивалентности следует из равенства инертной и гравитационной масс. В соответствии с этим принципом общая теория относительности трактует тяготение как искривление (отличие геометрии от евклидовой) четырехмерного пространственно-временного континуума. В любой конечной области пространство оказывается искривленным - неевклидовым. Это означает, что в трехмерном пространстве геометрия, вообще говоря, будет неевклидовой, а время в разных точках будет течь по-разному.

43. Симметрия и асимметрия. Инвариантность законов природы

Понятия симметрии и противоположного ей объективного свойства природы асимметрии являются одними из фундаментальных в современном естествознании. Интуитивно симметрия в своих простых формах понятна любому человеку и часто мы выделяем ее как элемент прекрасного и совершенного. В известной мере симметрия отражает степень упорядоченности системы. Например, окружность, ограничивающая каплю на плоскости, более упорядочена, чем размытое пятно на этой же площади, и следовательно, более симметрична. Поэтому можно связать изменение энтропии как характеристики упорядочения с симметрией: чем более организовано вещество, тем выше симметрия и тем меньше энтропия. В живой природе огромное большинство живых организмов обнаруживает различные виды симметрий (формы, подобия, относительного расположения). Причем организмы разного анатомического строения могут иметь один и тот же тип внешней симметрии. Внешняя симметрия может выступить в качестве основания классификации организмов (сферическая, радиальная, осевая и т.д.) Микроорганизмы, живущие в условиях слабого воздействия гравитации, имеют ярко выраженную симметрию формы.

Асимметрия присутствует уже на уровне элементарных частиц и проявляется в абсолютном преобладании в нашей Вселенной частиц над античастицами.

Симметрия лежит в основе вещей и явлений, выражая нечто общее, свойственное разным объектам, тогда как асимметрия связана с индивидуальным воплощением этого общего в конкретном объекте.

В основе О. т. лежит принцип относительности, согласно которому в физической системе, приведённой в состояние свободного равномерного и прямолинейного движения относительно системы, условно называется "покоящейся", для наблюдателя, движущегося вместе с системой, все процессы происходят по тем же законам, что и в "покоящейся" системе. Говорят, что движущаяся система получается из "покоящейся" преобразованием движения и что принцип относительности выражает инвариантность (независимость) законов природы относительно преобразований движения.

Справедливость принципа относительности означает, что различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения не имеет физического содержания. Если физическая система В движется равномерно и прямолинейно (со скоростью V ) относительно системы А, то с тем же правом можно считать, что А движется относительно В (со скоростью V). Термин "принцип относительности" связан с тем, что если преобразованию движения подвергнуть систему движущихся тел, то все относительные движения этих тел останутся неизменными.

Наряду с принципом относительности из опыта известны и др. принципы инвариантности, или, как ещё говорят, симметрии, законов природы. Любой физический процесс происходит точно так же:

если осуществить его в любой др. точке пространства; эта симметрия выражает равноправие всех точек пространства, однородность пространства;

если систему, в которой происходит процесс, повернуть на произвольный угол; эта симметрия выражает равноправие всех направлений в пространстве, изотропию пространства;

если повторить процесс через некоторый промежуток времени; эта симметрия выражает однородность времени.

Т. о., имеет место инвариантность законов природы по отношению к четырём типам преобразований: 1) переносу в пространстве, 2) вращению в пространстве, 3) сдвигу во времени, 4) преобразованию движения. Симметрии 1--4 выполняются точно только в изолированной от внешних воздействий системе, т. е. если можно пренебречь воздействием на систему внешних факторов; для реальных систем они справедливы лишь приближённо.

44. Фундаментальные законы сохранения

Законы сохранения -- фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.

Некоторые из законов сохранения выполняются всегда и при всех условиях (например, законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда), или, во всяком случае, никогда не наблюдались процессы, противоречащие этим законам. Другие законы являются лишь приближёнными и выполняющимися при определённых условиях (например, закон сохранения массы выполняется в нерелятивистском приближении; закон сохранения чётности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия, но нарушается в слабом взаимодействии).

* Закон сохранения энергии (энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую)

* Закон сохранения импульса (сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная)

* Закон сохранения момента импульса (векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.)

* Закон сохранения массы (масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то есть несотворима и неуничтожима. С точки зрения современной физики, этот закон неверен. Например, при радиоактивном распаде совокупная масса вещества уменьшается.)

* Закон сохранения электрического заряда (алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется. (q1+q2+q3+qn=const))

* Закон сохранения лептонного числа

* Закон сохранения барионного числа

Законы сохранения связаны с симметриями физических систем. Так, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями пространственно-временных симметрий (соответственно: однородности времени, однородности и изотропности пространства).

45. Принцип дополнительности

Нильс Бор(1885-1962)-Один из создателей современной физики. Создал первую квантовую теорию атома, а затем участвовал в разработке основ квантовой механики. Внёс также значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

В 1927 году Нильс Бор дал формулировку одного из важнейших принципов квантовой механики -- принципа дополнительности. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины. Этот принцип получил широкое распространение. Его пытаются применять в психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже в литературе.

Идея дополнительности была обнародована выдающимся физиком Нильсом Бором 16 сентября 1927 года на Международном физическом конгрессе в Комо (Италия). Эта идея дала возможность Нильсу Бору описать необычные свойства микрочастиц.

Благодаря этому принципу дополнительности был разрешен двухвековой спор между Ньютоном и Гюйгенсом о противоречивой природе света. В 1920-х годах прошлого столетия физика пришла к выводу о том, что фотон - частица света - обладает как свойством корпускулы, так и свойством волны, т.е. им присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Формулировка важнейшего принципа- принципа дополнительности: "Невозможность объединения наблюдаемых при разных условиях опыта явлений в одну-единственную картину ведет к рассмотрению таких, по-видимому, противоречивых явлений как дополнительных в том смысле, что они -взятые совместно - исчерпывают все доступные определению сведения об атомных объектах".

Бор пришел к формулировке обсуждаемого принципа, интерпретируя поведение электрона, обладающего свойствами частицы и волны одновременно. Так как частица отождествляется с веществом, а волна с излучением, можно сказать, что принцип дополнительности определяет взаимоотношение вещества и излучения как различных состояний единого целого - материи.

Эквивалентность массы и энергии можно рассматривать как выполнение принципа дополнительности между этими понятиями.

46. принцип соответствия

В физике принципом соответствия называется утверждение о том, что поведение квантовомеханической системы стремится к классической физике в пределе больших квантовых чисел. Этот принцип ввёл Нильс Бор в 1923 году. В более широком смысле под принципом соответствия понимают утверждение о том, что любая новая физическая теория должна в некотором пределе воспроизводить результаты старой проверенной теории, например, любая теория гравитации в пределе малых скоростей и слабых гравитационных полей должна сводиться к гравитации Ньютона.

Правила квантовой механики очень успешно применяются в описании микроскопических объектов, типа атомов и элементарных частиц. С другой стороны, эксперименты показывают, что разнообразные макроскопические системы (пружина, конденсатор и т.д) можно точно описать в соответствии с классическими теориями, используя классическую механику и классическую электродинамику. Однако, весьма разумно полагать, что окончательные законы физики должны быть независимыми от размера описываемых физических объектов. Это предпосылка для принципа соответствия Бора, который утверждает, что классическая физика должна появиться как приближение к квантовой физике, поскольку системы становятся большими.

Условия, при которых квантовая и классическая механики совпадают, называются классическим пределом. Бор предложил грубый критерий для классического предела: переход происходит, когда квантовые числа, описывающие систему являются большими, означая или возбуждение системы до больших квантовых чисел, или то, что система описана большим набором квантовых чисел, или оба случая. Более современная формулировка говорит, что классическое приближение справедливо при больших значениях действия.

Принцип соответствия -- один из инструментов, доступных физикам для того, чтобы выбрать соответствующую действительности квантовую теорию. Принципы квантовой механики довольно широки -- например, они заявляют, что состояния физической системы занимают пространство Гильберта, но не говорят, какое именно. Принцип соответствия ограничивает выбор теми пространствами, которые воспроизводят классическую механику в классическом пределе.

47.принцип неопределенности

Принцип неопределённости Гейзенберга (или Гайзенберга) -- в квантовой механике так называют принцип, дающий нижний (ненулевой) предел для произведения дисперсий величин, характеризующих состояние системы.

Обычно принцип неопределённости иллюстрируется следующим образом. Рассмотрим ансамбль невзаимодействующих эквивалентных частиц, приготовленных в определённом состоянии, для каждой из которых измеряется либо координата q, либо импульс p. При этом результаты измерений будут случайными величинами, дисперсии которых будут удовлетворять соотношению неопределённостей dqdp>=h/2 . Отметим, что, хотя нас интересуют одновременные значения координаты и импульса в данном квантовом состоянии, измерять их у одной и той же частицы нельзя, так как любое измерение изменит её состояние.

В общем смысле, соотношение неопределённости возникает между любыми переменными состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Это -- один из краеугольных камней квантовой механики, который был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 г.

48. Законы термодинамики

Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал. Законы:

· Нулевым (или общим) началом термодинамики иногда называют принцип, согласно которому замкнутая система независимо от начального состояния в конце концов приходит к состоянию термодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.

· Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.

· Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии.

· Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур.

При анализе термодинамических систем, помимо начал термодинамики, требуются уравнения состояния системы. Так же, как и начала, уравнения состояния не содержатся в термодинамике и должны быть взяты из опыта или из статистической физики. В отличие от начал термодинамики, уравнения состояния не носят всеобъемлющего характера, а применимы для конкретных термодинамических систем.

49. самоорганизация материи

Принцип самоорганизации сформулирован П. Тейяр де Шарденом - «материя с самого начала подчиняется великому биологическому закону усложнения». «С самого начала», с субатомных частиц и вплоть до биосферы, общества, Вселенной мы наблюдаем одну и ту же закономерность - некоторые «первичные» элементы (атомы, молекулы, организмы, люди) образуют всё более сложные системы - молекулы, вещества, экосистемы, сообщества. Весь окружающий нас мир состоит из сложных объектов, которые «сами собой», помимо нашей воли и желания, образуются в процессе развития материи.

Примеры самоорганизации: торнадо, химические часы, биологические процессы (эволюция), социальные системы (общество), формирование человеческой психики на протяжении жизни.

Необходимые условия самоорганизации:

Открытость системы (взаимодействие с другими системами, с окружающей средой): обмен энергией, обмен веществом, обмен информацией при деградации.

Формирование циклических процессов.

Принцип колыбели. Самоорганизация не происходит везде, а лишь в отдельных, особо сложных частях. Система должна быть погружена в другую систему, более большую ( как бы в колыбели). Нет равноправия. Характер самоорганизации - глобальность деградации и локальность самоорганизации.

Достаточно длительный срок. Системе проще ничего не делать, чем что-то делать. Система обычно находится в состоянии динамического равновесия, т.е. проходят какие-то процессы в системе, но в общем она не изменяется.

Система должна быть достаточно далека от состояния термодинамического равновесия. Иначе больше вероятность деградации, чем самоорганизации.

Уровни самоорганизации в природе:

Космологический - происхождение вещества из вакуума, появление барионной ассиметрии, разделение различных типов фундаментальных взаимодейтсвий, формирование протонов и нейтронов, формирование атомов водорода и гелия, первичный нуклеосинтез, разделение атомов вещеста и электромагнитного излучения.

Астрофизический - формирование галактик, звезд и планетных систем, звездный нуклеосинтез, образование в космосе простейших молекул вплоть до органических.

Геофизический - формирование и эволюция литосферы, гидросферы и атмосферы Земли как благоприятного резервуара для появления сложных органических молекул.

Химический и биохимический - химическая и биохимическая эволюция молекул и молекулярных агрегатов.

Биологический - биологическая эволюция от появления первых клеток до высших животных и человека, формирование и развитие общего в биосфере.

Социальный - социальная эволюция как историческое развитие различных форм человеческих сообществ от первобытных племен до современной всемирной цивилизации.

Психический и интеллектуальный - психическая и интеллектуальная эволюция от появления языка и письменности, мифологии ирелигии до современного состояния единой мировой науки; попытки формирования ноосферы.

Система обязательно когда-нибудь находится в состоянии кризиса, когда любая маленькая деталь может привести к непредсказуемым последствиям, гибели системы. Теория катастроф с математической точки зрения. Катастрофа - это когда при малом взаимодействии система уходит от прежнего динамического состояния и переходит в новое состояние. Система должна пережить катастрофу, чтобы самоорганизоваться.

Бифуркация - разветвление траектории движения тела или дальнейшего пути развития системы в некоторый момент времени. Если предсказание самоорганизации и возможно, то лишь ограниченно, локально, т.к. состояние катастрофы непредсказуемо - бифуркация : либо система «выздоравливает», либо «умирает».

50. Разделы физики

Разделы общей физики

1. Физические основы механики.

2. Статическая физика и термодинамика.

3. Электричество.

4. Элементы квантовой механики и физики твёрдого тела.

5. Магнетизм.

6. Основы волновой оптики.

7. Основы квантовой оптики.

8. Атом и атомное ядро.

Разделы физики

Макроскопическая физика

Механика

Классическая механика

Релятивистская механика

Механика сплошных сред

Термодинамика

Оптика

Кристаллооптика

Молекулярная оптика

Нелинейная оптика

Акустика

Акустооптика

Электродинамика

Электродинамика сплошных сред

Магнитогидродинамика

Электрогидродинамика

Микроскопическая физика

Статистическая физика

Статистическая механика

Физика конденсированных сред

Физика твёрдого тела

Физика атомов и молекул

Физика наноструктур

Квантовая физика

Квантовая механика

Квантовая теория поля

Квантовая электродинамика

Квантовая хромодинамика

Теория струн

Ядерная физика

Физика гиперядер

Физика высоких энергий

Физика элементарных частиц

51. Способы рассмотрения явлений и процессов в физике

Главными ветвями физики являются экспериментальная физика и теоретическая физика. И хотя может показаться, что они разделены, поскольку большинство физиков являются или чистыми теоретиками, или чистыми экспериментаторами, на самом деле теоретическая и экспериментальная физика развиваются в постоянном контакте. Над одной и той же проблемой могут работать как теоретики, так и экспериментаторы. Первые описывают существующие экспериментальные данные и делают теоретические предсказания будущих результатов, вторые проводят эксперименты, проверяя существующие теории и получая новые результаты. Многие достижения в физике были вызваны экспериментальным наблюдением явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности), так же как и некоторым теориям удалось предсказать результаты, проверенные позже (например, открытие позитрона).

52. Физические величины и единицы измерения

Физимческая величинам -- это количественная характеристика объекта или явления в физике, либо результат измерения.

Если некоторое значение мощности записано в виде

P = 42,3 Ч 103 Вт = 42,3 кВт, то

Р -- это обозначение величины (мощности)

42,3 Ч 103 -- это числовое значение

к обозначает приставку системы СИ «кило», соответствующую 103

Вт -- это обозначение ватта, единицы мощности.

· экстенсивная, если ее значение складывается из значений для подсистем (например, объём, вес);

· интенсивная, если ее значение не зависит от размера системы (например, температура, давление).

От некоторых экстенсивных величин образуются производные величины:

· удельная величина -- это величина, делённая на массу (например, удельный объём);

· молярная величина -- это величина, делённая на количество вещества (например, молярный объём).

Некоторые физические величины, такие как момент импульса, площадь, сила, длина, время, не относятся ни к экстенсивным, ни к интенсивным.

В физике и технике единицы измерения используются для стандартизованного представления результатов измерений. Численное значение физической величины представляется как отношение измеренного значения к некоторому стандартному значению, которое и является единицей измерения. Число с указанием единицы измерения называется именованным.

СИ (SI, фр. Systиme International d'Unitйs) -- международная система единиц, современный вариант метрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике.

...