Характеристика основных концепций развития естественнонаучных дисциплин

Слабое взаимодействие проявляется не в притяжении или отталкивании между частицами, а в способности к взаимным превращениям элементарных частиц, в частности нуклонов:

(4.2)

Нуклоны превращаются друг в друга с образованием электронов или позитронов (положительных электронов), а также антинейтрино () или нейтрино (). Электроны и нейтрино, участвующие в слабом взаимодействии, относятся к классу лептонов. Частицы, способные и к сильному, и к слабому взаимодействию (например, нуклоны), относятся к группе адронов.

Итак, нашу Вселенную формируют взаимодействия четырех видов: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. От радиуса их распространения зависит масштаб явлений, в которых они играют основную роль. Гравитация ответственна за явления астрономического масштаба и проявляется в макромире, электромагнитное взаимодействие существенно во многих явления макро- и микромира, сильное и слабое - в явлениях ядерного масштаба, в мире элементарных частиц.

Развитие представлений о физических полях.

Любое взаимодействие проявляется при наличии некоторого расстояния между объектами. Механизм реализации взаимодействия долгое время оставался неясным и описывался рядом противоречивых теорий.

Согласно теории взаимодействия, созданной в первой половине XVII в. Декартом, действие одного тела на другое передается с конечной скоростью путем последовательных столкновений мельчайших невидимых частиц материи, заполняющих все пространство. Данная теория опирается на концепцию близкодействия, то есть передачу воздействия от одного объекта к другому через промежуточную среду с конечной скоростью. Однако до начала XIX в. в физике господствовала концепция дальнодействия, предполагающая мгновенность, то есть бесконечно большую скорость передачи воздействия одного тела на другое, без каких либо материальных посредников. Таким образом, в физике рассматривались тела, взаимодействующие в абсолютно пустом пространстве на произвольном расстоянии. Исследование оптических явлений в начале XIX века привело к объяснению явлений интерференции и дифракции света на основе волновой теории. Но в отличие от звука свет не является упругой волной, он распространяется и в безвоздушном пространстве. Колебания какой среды в таком случае связаны со световой волной? Выдвинутая еще Декартом в XVII в. гипотеза светоносного эфира как тончайшей всепроникающей жидкости, заполняющей все пространство, наталкивается на непреодолимые противоречия. Прежде всего, световые волны поперечны, следовательно, эфир обладает упругими свойствами твердого тела, несмотря на невесомость и безграничную протяженность. Кроме того, эксперименты по определению скорости света и выяснению увлекаемости эфира движущимися телами, проведенные Физо (1819 - 1886), Майкельсоном (1852 - 1931), Морли (1838 - 1923), давали противоречивые результаты. Гипотеза эфира оказалась несостоятельной и была отвергнута с созданием специальной теорией относительности. Но именно представление о всепроникающем эфире отражало принятие концепции близкодействия - передачи взаимодействия от одной точки к другой через специфическую непрерывную среду. Во второй половине XIX в. изучение электромагнитных явлений привело М. Фарадея и Д.К. Максвелла к выработке понятия поля. К началу XX в. физика изучает материю в двух ее проявлениях: вещество и поле. При этом отвергаются как концепция дальнодействия, так и гипотеза эфира.

Физическое поле - форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Взаимодействие тел передается от точки к точке поля с конечной скоростью, равной скорости распространения поля. Очевидно, представления о поле связаны с концепцией близкодействия и непрерывной среды. Каждой точке непрерывного пространства соответствует определенное значение величины, характеризующей поле. Таким образом, параметры поля описываются непрерывными функциями координат и времени. Эти параметры позволяют определить силы, которые действуют на частицы, находящиеся в поле, и их потенциальную энергию.

Вещество и поле являются равноправными видами материи, характеризуются массой, энергией, импульсом. Их специфичность в макромире проявляется в том, что частицам вещества свойственны дискретность, пространственная ограниченность, конечность числа степеней свободы, взаимная непроницаемость молекул и атомов, в то время как полю свойственна бесконечность и непрерывность распространения в пространстве, бесконечное число степеней свободы и возможность сосуществования в одной точке пространства нескольких полей.

В макромире рассматриваются гравитационное и электромагнитное поля, позволяющие описать механизм соответствующих взаимодействий на макроуровне. Современной теорией гравитации является общая теория относительности. Классическая теория электромагнетизма резюмируется в семи уравнениях Максвелла, позволяющих объяснить все известные электрические и магнитные явления макромира. Следует подчеркнуть, что форма математических соотношений, выражающих поведение поля, для каждого поля своя, и единые подходы для описания этих полей пока не найдены.

Разработанный для описания непрерывных полей аппарат применим лишь для макромира. В микромире физические поля характеризуются дискретностью. Описание взаимодействий в микромире дается квантовой теорией поля.

Концепция обменного взаимодействия.

Для описания взаимодействия в макромире концепция непрерывного поля оказалась достаточно плодотворной, однако процессы микромира рассматриваются на основе иной концепции, на первый взгляд возвращающей нас к декартовой теории близкодействия, но на самом деле имеющей с ней очень отдаленное сходство. Предполагается, что частицы - участники взаимодействия вступают в связь путем обмена особыми частицами-переносчиками взаимодействия, причем каждый такой процесс осуществляется своими переносчиками. Частицы-переносчики являются виртуальными, так как их время жизни слишком мало, и вероятность их обнаружения в виртуальном состоянии равна нулю. Однако в определенных условиях виртуальная частица становится реальной, и может быть экспериментально зарегистрирована. Такая модель взаимодействия микрообъектов удовлетворяет практически всем экспериментальным данным и представляется плодотворной для разработки единой теории взаимодействий.

В квантовой электродинамике, основанной на концепции корпускулярно-волнового дуализма, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется путем обмена виртуальными фотонами - квантами электромагнитного поля.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое по интенсивности ( в 1038 раз слабее сильного). Для его трактовки как обменного предложены переносчики взаимодействия (кванты поля) - гравитоны. Однако эта модель в настоящее время по сравнению сдругими наименее разработана и существование гравитонов не подтверждено экспериментально. В отличие от квантовых теорий электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия квантовая теория гравитации только начинает создаваться. Очень проблематична и возможность экспериментальной регистрации гравитонов, так как пока не обнаружены даже гравитационные волны.

Теория обменного сильного взаимодействия за короткий период времени претерпела существенные изменения. В 40-х - 50-х годах нашего века для описания сильного взаимодействия нуклонов в ядре применялась мезонная теория, разработанная японским физиком Юкавой. Согласно этой теории нуклоны обмениваются виртуальными р-мезонами (пионами) 3-х видов: р +- мезонами, р 0- мезонами, р - - мезонами, в результате чего происходит взаимопревращение нуклонов.

Эти частицы в отличие от фотонов имеют массу покоя, причем она довольно значительна: ~270 me (me - масса электрона). Так же, как и в случае фотонов, наряду с виртуальными пионами существуют реальные пионы, обнаруженные в составе космических лучей.

Открытие во второй половине ХХ в. большого количества разнообразных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (адронов), наталкивало на мысль о том, что существуют более мелкие их составные части, комбинация которых формирует это разнообразие.

В 1964 г. американские ученые Гелл-Манн (г. р. 1929) и Цвейг (г. р. 1937) выдвинули гипотезу, что все адроны можно получить как комбинации более фундаментальных объектов, названных ими кварками. В настоящее время все многообразие адронов описывается на основе шести кварков (и шести антикварков). Кварки имеют дробные электрические заряды ( где - элементарный заряд) и отличаются специфическими квантовыми характеристиками, получившими названия «аромат» и «цвет». Барионы (в частности, нуклоны) составлены тройками кварков, мезоны (в том числе и пионы) - парами. Кварки формируют внутреннюю структуру адронов, но в свободном состоянии не существуют. Они связаны друг с другом сильным взаимодействием посредством обмена глюонами (от англ. «клей»). Взаимодействие кварков чрезвычайно интенсивное, и с увеличением расстояния между ними возрастает, что не позволяет кваркам покидать адроны. Глюонная модель описывает механизм сильного взаимодействия на кварковом уровне и называется квантовой хромодинамикой.

В отличие от адронов, лептоны (электроны, мюоны, нейтрино) в сильном взаимодействии не участвуют и внутренней структуры не имеют. Слабое взаимодействие лептонов и адронов осуществляется с помощью переносчиков, называемых промежуточными бозонами. Эти массивные (тяжелее нуклонов) виртуальные частицы, распространяющиеся со скоростью, меньшей скорости света, были открыты только 20 лет назад.

Ниже приводится сравнительная таблица характеристик фундаментальных взаимодействий, в которой сопоставляется их относительная интенсивность (Li), радиус действия (R), характерное время передачи взаимодействия (Т), указываются участники и переносчики.

Таблица 4.1. Характеристики фундаментальных взаимодействий

Концепция корпускулярно-волнового дуализма в современной физике.

Концепции классической физики развивались исключительно в рамках повседневного опыта и по мере надобности экстраполировались за его пределы. Проникновение естествознания в проблемы явлений на микроуровне привело к пониманию существования границ для подобных экстраполяций. Современная наука выделяет три качественно различающихся структурных уровня: мега-, макро- и микромир.

В классической физике, сложившейся при изучении явлений макромира, четко разграничивались объекты характеризующиеся строгой локализацией в пространстве (частицы, корпускулы) и неограниченные, непрерывные (поля). Соответственно рассматриваются два способа переноса энергии: корпускулярный и волновой. Частицы переносят энергию корпускулярно (дискретно), они в определенных процессах неделимы, индивидуализированы; волны несут энергию в пространстве и во времени непрерывно, они способны к наложению (суперпозиции), их можно разделить на отдельные компоненты, аналогичные исходной.

В макромире рассматриваются два различных по природе волновых процесса: механический и электромагнитный. Механические волны (в частности, звуковые волны) представляют собой распространяющиеся колебания вещественной среды. Электромагнитные волны - распространение переменного электромагнитного поля. Их существование обосновано электромагнитной теорией Максвелла. Уравнения, выведенные в этой теории, применимы для всего пространства, независимо от того, присутствует ли там вещество, и позволяют проследить изменение поля во времени для любой точки пространства. Такие изменения характеризуют процесс распространения электромагнитной волны, причем скорость ее, определяемая теорией, совпадает с экспериментально найденной скоростью света. Электромагнитные волны впервые были экспериментально обнаружены в конце ХIХ в. Исследования показали, что электромагнитное излучение имеет сплошной спектр, в котором длина волны . Принято выделять следующие диапазоны электромагнитных излучений (в порядке убывания длины волны, а, следовательно, увеличения частоты): радио-, инфракрасное, видимое ( мкм), ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение. На примере шкалы электромагнитных волн ярко проявляется действие философского закона перехода количества в качество, увеличение количественной характеристики - частоты, приводит к качественному изменению свойств электромагнитного излучения. Однако всего через десять лет после экспериментального подтверждения существования электромагнитных волн оказалось, что излучению присущи не только свойства непрерывной волны, но и дискретность, свойственная частицам материи. Только с этих позиций оказалось возможным объяснить ряд экспериментов (фотоэлектрический эффект и др.) Это привело к формированию в начале XX в. концепции корпускулярно-волнового дуализма.

В классической науке частицы выступают как носители дискретности, волны - как носители непрерывности. До начала XX в. данные свойства представлялись абсолютно противоположными. Возникновение механики микромира - квантовой механики, в корне изменившей представление о природе, началось с гипотезы немецкого физика Макса Планка, выдвинутой в 1900 г. для решения частной задачи - описания закономерностей испускания электромагнитных волн нагретыми телами (теплового излучения). Вся классическая физика строилась исходя из представления о непрерывной природе пространства, времени, движения, непрерывного характера изменения всех физических величин, в том числе энергии тела. Сущность «парадоксальной» гипотезы Планка заключалась в том, что испускание и поглощение электромагнитной энергии веществом происходит не непрерывно, а дискретно - порциями или квантами, как предложил их называть Планк, причем энергия кванта (е), пропорциональна его частоте (н):

, (4.3)

где h - универсальная константа, называемая постоянной Планка. Постоянная Планка, численное значение которой позднее было определено экспериментально, является одной из фундаментальных констант, определяющих законы нашей Вселенной.

По словам Эйнштейна, Планк, изучая частное физическое явление, оказался в состоянии угадать один из самых основных и наиболее загадочных законов природы, показал, что физические величины, до сих пор считавшиеся непрерывными, состоят из отдельных квантов.

Используя квантовую гипотезу, Эйнштейн в 1905 г. сумел создать теорию фотоэффекта. Предположение о том, что свет обладает не только свойствами непрерывной волны, но и дискретной природой потока корпускул, квантов, было окончательно подтверждено закономерностями рассеяния рентгеновского излучения легкими атомами в опытах Комптона.

В 1929 г. американский ученый Г. Льюис предложил называть кванты света фотонами. Зная энергию фотона, можно определить его массу и импульс.

Для определения релятивистской массы фотона воспользуемся формулой специальной теорией относительности, связывающей массу и энергию Е = mc2. Фотон обладает энергией , следовательно, релятивистская масса фотона (m) пропорциональна его частоте (н):

. (4.4)

Фотон частица, всегда движущаяся со скоростью света в вакууме - с, следовательно, его масса покоя равна нулю. Фотон может существовать только двигаясь со скоростью света в вакууме. Импульс фотона равен произведению массы на скорость:

, (4.5)

где - длина волны излучения.

Итак, в первой четверти XX в., сложилась концепция корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения. Свет рассматривается как реальный физический объект, который не сводится ни к волне, ни к частице в классическом смысле, обладая одновременно волновыми свойствами непрерывных электромагнитных волн, приводящих к интерференции и дифракции, и квантовыми свойствами дискретных фотонов, объясняющими фотоэффект и эффект Комптона. При этом обнаруживается важная закономерность этих проявлений свойств света: чем больше частота излучения, чем больше энергия и импульс фотона, тем ярче выражены квантовые свойства света и тем труднее наблюдать волновые явления. Наибольшей частотой и энергией, как уже говорилось, обладает гамма-излучение, для которого чаще используется термин гамма-частицы (). Данный символ () используется и для обозначения фотона как микрочастицы.

Столь же парадоксальной, но верной, оказалась гипотеза Луи де Бройля, французского физика, предположившего в 1923 г., что корпускулярно-волновой дуализм свойствен всем материальным объектам, а следовательно и частицам вещества. Частице с импульсом соответствует волновой процесс, причем характеризующая его длина волны л:

, (4.6)

где h - постоянная Планка.

Корпускулярно-волновой дуализм стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных (масса, импульс), так и волновых (длина волны, частота) характеристик. Константой связи этих двух аспектов является постоянная Планка.

Правильность гипотезы де Бройля подтверждена в 1927 г. наблюдением дифракции электронов. Это позволило определить границы применимости классической механики. Для макрообъектов длина волны оказывается настолько малой величиной, что их волновые свойства невозможно обнаружить, а следовательно, корпускулярно-волновой дуализм для них не проявляется. Микрочастицы проявляют свои волновые свойства, если размеры областей их движения сравнимы с длиной волны, рассчитанной по (4.6.) (например, электрон в атоме или протон в ядре).

Всякий микрообъект отличается от макротела тем, что сочетает в себе свойства частицы и волны, но при этом «не ведет себя ни как волна, ни как частица». Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое (волну можно разделить, например, направив на полупрозрачное зеркало). Отличие микрочастицы от макротела состоит в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, к ней неприменимо понятие траектории. Для микрочастицы ограничено применение классических параметров механического состояния - координаты и импульса.

Основные положения квантовой механики.

Двойственность свойств микрообъектов обусловливает невозможность описания их движения и взаимодействия в рамках классической механики. Потребовалась разработка новой механической теории - квантовой механики, основные принципы и законы которой установлены в конце 20-х годов ХХ в.

Принцип неопределенности В. Гейзенберга. Физическая интерпретация «неклассического» поведения микрообъектов была дана немецким ученым В. Гейзенбергом, который в 1927 г., исходя из созданного им математического аппарата квантовой механики, установил связь между предельными точностями определения («неопределенностями») координаты () и соответствующей проекции импульса () микрочастицы:

. (4.7)

Данное соотношение выражает принцип неопределенности Гейзенберга, который определяет фундаментальный предел возможности одновременного измерения пар определенных переменных. В частности, в случае движения электрона в атоме (?х~10-10м) невозможно достаточно точно определить его ориентацию, что делает неприменимым к данному движению понятия «траектории».

Соотношение неопределенностей связывает также энергию (Е) и время (t):

. (4.8)

Данное соотношение объясняет возможность виртуального состояния микрообъектов.

Следует подчеркнуть, что неопределенности обусловлены не техническими возможности определения точных значений данных параметров микрочастиц, а принципиальным «несуществованием» одновременно точных значений для данных пар параметров.

Эти соотношения свидетельствуют об объективно существующих ограничениях в возможности описания микрообъектов на языке классической механики.

Принцип дополнительности Н. Бора. Волновая функция. Н. Бор показал, что корпускулярная и волновая модели микрообъектов никогда не предстают одновременно: получение информации об одних характеристиках микрообъекта неизбежно связано с потерей информации о других, дополнительных к первым. В зависимости от эксперимента микрообъект проявляет либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Эти две взаимоисключающие стороны природы микрообъекта следует рассматривать как диалектически дополнительные (единство противоположностей).

Описание микрообъектов не может быть дано на основе классической механики, в которой нет места корпускулярно-волновому дуализму. Однозначной характеристикой микрочастицы в квантовой механике является волновая функция величина, позволяющая определить параметры движения в заданных внешних условиях. Математически волновая функция описывает некоторый процесс, периодический во времени и в пространстве, длина волны которого определяется формулой де Бройля. Однако природа этого процесса не имеет аналогов в макромире, сама волновая функция - ненаблюдаемая величина, не имеющая физического смысла. В квантовой механике с ней связывают так называемые «волны вероятности», так как квадрат амплитуды волной функции является мерой вероятности обнаружения микрочастицы в какой-либо области пространства. Хотя основное уравнение квантовой механики позволяет однозначно определить зависимость волновой функции от координаты и времени в определенных условиях движения микрообъекта, оно фиксирует связь не осуществившихся событий, а потенциальных возможностей этих событий и выражающих их вероятностей. Поэтому однозначная причинно-следственная связь событий, проявляющаяся в классической механике, не свойственна микромиру, здесь эта связь включает и необходимое и случайное. Даже зная начальное состояние и условия движения микрообъекта, невозможно однозначно предсказать его последующее поведение. Описание его состояния с помощью волновой функции отражает изначально присущую микрообъектом вероятностность поведения. Ненаглядность создаваемых квантовой механикой моделей микромира не противоречит объективности даваемых ею знаний, но отражает качественное отличие свойств объектов микро- и макромира.

Особые свойства микрочастиц. Развитие релятивистской квантовой механики, описывающей движение микрообъектов со скоростями, сравнимыми со скоростью света, уже в конце двадцатых годов, привело к новым открытиям. В 1927 г. английский ученый Поль Дирак установил возможность существования у всех микрочастиц двойников - античастиц. Античастицы отличаются от частиц знаком электрического (или другого) заряда.

Античастица электрона (е-) - позитрон (е+), имеющая положительный электрический заряд, была открыта в 1932 г. Взаимодействие частицы и античастицы приводит к аннигиляции (исчезновению) обеих и превращению их в кванты электромагнитного излучения:

е - + е + > 2г (4.9)

Возможна и обратная реакция:

2г > е - + е + (4.10)

Однако она становится реальной только в силовом поле ядра атома. В отсутствии такого поля электрон и позитрон появляются как виртуальные частицы.

В микро-мире могут возникать виртуальные частицы. В соответствии с принципом неопределенности в течение некоторого времени:

(4.11)

возможно существование частиц с полной энергией ДЕ = mс2. Если это время слишком мало (меньше, чем 10-22 с), частицы невозможно экспериментально обнаружить, они виртуальны. Виртуальными являются все переносчики фундаментальных взаимодействий, фигурирующие в модели обменного взаимодействия.

Описание взаимодействия микрообъектов в настоящее время реализуется на основе развивающейся квантовой теории взаимодействий, которая является ядром всей современной физики. Она дает общий подход ко всем известным типам взаимодействий.

Физический вакуум. Одним из важнейших результатов такого подхода является представление о физическом вакууме.

Слово vacuum по латыни означает пустота. По обыденным житейским представлениям вакуум -- это пространство, которое абсолютно ничего не содержит: ни молекул, ни атомов, ни элементарных частиц. Однако физики трактуют физический вакуум иначе. Чтобы пояснить что такое физический вакуум, проведем мысленный эксперимент. Допустим, мы имеем сосуд сферической формы с идеально изолирующими и идеально отражающими стенками. Пусть в исходном состоянии в сосуде не обнаруживаются (не регистрируются) ни частицы вещества, ни кванты электромагнитного излучения т.е. фотоны, и нам представляется, что в сосуде пустота, не содержащая в себе абсолютно ничего. Эксперимент начнем с того, что через очень малое прозрачное окошко в стенке сосуда начнем накачивать его электромагнитным излучением. Небольшая часть излучения после многократных отражений выйдет обратно из окошка, большая его часть останется внутри сосуда. Со временем количество фотонов в сосуде будет возрастать. В некоторый момент времени какой-нибудь фотон внутри сосуда столкнется с другим фотоном и появится электрон-позитронная пара (в соответствии с (4.10)). Теперь вакуум перестал быть пустым, теперь он содержит две частицы: электрон и позитрон. Откуда взялись эти частицы? Их не было в электромагнитном излучении. Следовательно, электрон и позитрон всегда находились в вакууме в каком-то нерегистрируемом виртуальном состоянии. Как уже указывалось, частицу можно зафиксировать, если время ее жизни более 10-22с. В «неподогретом» электромагнитным излучением вакууме пытающиеся появиться электрон и позитрон сразу исчезают в течение времени меньшем, чем 10-22 с., то есть умирают, не успев родиться. Обнаружить т.е детектировать их удалось лишь после того, как они получили энергию от фотонов и перешли из мерцающего, виртуального, в реальное состояние. Таким образом, физический вакуум можно представить себе как объект физического мира, в исходном состоянии которого не удается обнаружить приборами каких-либо частиц. Путем воздействия на физический вакуум, например, электромагнитным излучением можно увеличить его энергию (нагреть), и перевести его в возбужденное состояние, при котором из вакуума рождаются реальные частицы: электрон и позитрон. Если, посылая свет в окошко, продолжать увеличивать плотность электромагнитного излучения в сосуде, то фотоны начнут сталкиваться с электронами и позитронами. Вследствие такого воздействия рождаются более массивные положительно и отрицательно заряженные частицы: мюоны или ??мезоны. Дальнейшее «накачивание» сферического сосуда фотонами вызовет рождение частиц пионов или ??мезонов, а затем внутри сосуда начнут образовываться пары протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон. Таким образом, в результате такого нарастающего энергетического воздействия фотонами на пустоту внутри сосуда можно получить все частицы, необходимые для построения атомных ядер и атомов Возникает вопрос: « А был ли вакуум пуст?» Если мы наблюдаем образование частиц из вакуума при его «разогреве», то они там были, но были в непроявленном, недетектируемом состоянии, следовательно, физический вакуум содержит плотно упакованный набор всех известных нам в природе частиц, находящихся в виртуальном состоянии. По выражению российского физика А.Б. Мигдала (1911 - 1991), физический вакуум можно представить себе как физический объект, который «кишит еще неродившимися» материальными частицами.

Свойства физического вакуума описывает квантовая теория поля, позволяющая понять механизм всех известных нам типов взаимодействий. Квантовая теория поля рассматривает физический вакуум как прародителя известного нам мира и дает его определение: физический вакуум -- это низшее энергетическое состояние квантовых полей, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных материальных частиц. В этом состоянии обращаются в нуль импульс, электрический заряд и другие характеристики частиц. В то же время физический вакуум не следует понимать как абсолютную пустоту. В нем постоянно происходят флуктуации (случайные всплески) энергии, приводящие к возникновению виртуальных частиц. Время жизни виртуальных частиц очень мало, не более 10-22с, и они не успевают вступить во взаимодействие с реальными частицами. Поэтому их можно считать чем-то вроде «призраков». Однако «призрачный туман» виртуальных частиц участвует в коллективных взаимодействиях с реальными объектами материального мира, например, с ансамблями реальных частиц. Известен целый ряд физических эффектов, обусловленных этим взаимодействием. Например, сдвиг энергетических уровней в спектре водорода, аномалии в величине магнитного момента электрона и др. Согласно современным космологическим теориям, в основе построения которых лежит концепция Большого Взрыва (подробнее об этом ниже), возникновение Вселенной явилось следствием фазового перехода физического квантового вакуума. В силу соотношений неопределенности В. Гейзенберга (3.8), в вакууме непрерывно происходят флуктуации энергии и спонтанные рождения и аннигиляции виртуальных частиц. Таким образом, физический вакуум не пуст, а насыщен всевозможными флуктуациями всевозможных полей и представляет собой физический объект, при коллективном взаимодействии с которым обнаруживают свои свойства все элементарные частицы (микрообъекты) реального мира.

Взаимодействие микрообъектов с вакуумом по современным воззрениям свидетельствует о целостности мира, о несведении его к отдельным элементам. Если согласно классической науке мир рассматривался как совокупность независимых отдельных частей, взаимодействующих по детерминистским законам, то в квантовой теории ни один объект не может быть полностью индивидуализирован. По словам Борна, Вселенная является неделимым целым, отдельные частицы которого имеют смысл абстракций или приближений, справедливых лишь в классическом пределе. Во второй половине XX в. основное внимание уделяется созданию единой квантово-релятивистской теории структуры материи и фундаментальных взаимодействий.

Взаимосвязь классической и квантовой механики.

Согласно существующему в науке принципу соответствия, разные, но верные теории, относящиеся к одному кругу явлений, должны быть взаимосвязаны.

В наличии такой связи мы убедились на примере релятивисткой и классической механики: вторая имеет более узкие рамки применимости и является частным случаем первой при выполнении условия . Аналогичная связь имеет место и в случае квантовой механики.

Если произведение энергии объекта и времени соответствующего процесса слишком велико по сравнению с постоянной Планка:

Е t >>h, (4.12)

волновые свойства объектов не проявляются, и соотношения квантовой механики переходят в формулы классической механики, которая является ее частным случаем. Наиболее общей теорией, имеющей самые большие границы применимости, является релятивистская квантовая механика. Выше названные три теории - ее частные случаи, которые реализуются при следующих условиях: при выполнении (2.14) - квантовая механика, при выполнении (4.11) - релятивистская, при выполнении обоих условий одновременно - классическая.

Структура микромира.

Структура атома. Идеи античных атомистов были возрождены в научном естествознании в XVIII в. английским ученым Дальтоном (1766 - 1844). К XIX в. стало ясно, что мельчайшая частица химического элемента «атом» (с греческого - «неделимый») обладает внутренней структурой, и, будучи в целом электрически нейтральной, включает компоненты с противоположным знаком электрического заряда. Отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома электрон, открыта в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856 - 1940). В начале XX в. английский физик Э. Резерфорд экспериментально исследовал внутреннее строение атома, используя радиоактивные б - частицы. Оказалось, что положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в очень малом объеме - ядре (~10-15 м), в то время как размеры атома (~10-10 м) определяются электронной оболочкой. Заряды в микромире принято выражать в единицах элементарного заряда (заряда электрона) - . Заряд электрона в такой системе равен (-1), протона - (+1). Исследования показали, что выраженный в таких единицах заряд ядра, а следовательно, и количество электронов в оболочке атома равны порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Периодический закон Менделеева отражает периодичность строения электронных оболочек атома и обусловленных ими химических свойств. При этом оказалось, что существуют атомы (ядра) одного элемента, обладающие разной массой. Они получили название изотопы («топ» - место). Указанное в таблице Менделеева массовое число определено для природной смеси изотопов данного элемента.

Отрицательно заряженные электроны оболочки атома движутся в электромагнитном поле, создаваемом положительно заряженным ядром и другими электронами. Учет волновых свойств электронов позволяет определить их возможные состояния и соответствующие им волновые функции. При этом, как уже отмечалось, для электрона в атоме понятие траектории неприменимо, можно говорить только о вероятности его нахождения на разных расстояниях от ядра. Энергия электрона в атоме квантована, то есть принимает определенный набор разрешенных значений. Состояние с наименьшей энергией называется основным, остальные - возбужденными. Атом может переходить в возбужденное состояние поглощая энергию электромагнитного излучения, если величина кванта соответствует разнице между разрешенными значениями энергии, т.е. если фотон имеет определенное значение частоты. Возвращаясь в основное состояние, атом испускает фотон той же частоты. Для каждого химического элемента существует свой набор (спектр) частот, испускаемых (или поглощаемых) атомами. Это позволяет, исследуя спектральный состав излучения, испускаемого веществом в атомарном состоянии, сделать выводы о его химическом составе. Спектральный анализ широко используется как в технике, так и в научных исследованиях, в частности в астрономии.

Структура атомного ядра. Структура атомных ядер была определена в 30-е годы ХХ в. Частицы, из которых состоит ядро, имеют общее название - нуклоны. Масса нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона, и ее приближенное значение принято за атомную единицу массы (а. е. м.). В а. е. м. измеряется масса ядер . Существуют два типа нуклонов - протон и нейтрон. Протон несет положительный электрический заряд, величина которого равна элементарному, и совершенно стабилен. Нейтрон несколько тяжелее протона, электрически нейтрален и в свободном состоянии способен самопроизвольно превращаться в протон с образованием электрона и антинейтрино. Используя общепринятые обозначения частиц: протон - р, нейтрон - n, электрон - е, нейтрино - н, фотон - г, и обозначая заряд частицы нижним индексом, а массовое число - верхним, данное превращение можно записать следующим образом:

. (4.13)

(Знак «~» означает, что в данной реакции возникает антинейтрино). Видно, что в этом превращении выполняются законы сохранения заряда и массового числа.

Зная порядковый номер (Z) и массовое число некоторого изотопа , легко определить число протонов и нейтронов в нем. Очевидно, что общее число нуклонов равно А, а количество заряженных протонов - Z (заряд ядра равен порядковому номеру изотопа), следовательно, количество нейтронов равно (A - Z). Таким образом, становится ясным, что изотопы элемента, имеющие разные массы, различаются количеством нейтронов, а количество протонов для всех изотопов данного химического элемента постоянно.

Между нуклонами в ядре осуществляется электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Электростатическое отталкивание одноименно заряженных протонов компенсируется не зависящим от заряда сильным (ядерным) взаимодействием между всеми нуклонами - и протонами, и нейтронами.

Чтобы разложить ядро на составляющие его нуклоны, надо затратить энергию, называемую энергией связи ядра. При образовании же ядра из нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи. Данный процесс сопровождается уменьшением суммарной массы системы на величину, называемую дефектом массы (m).

,

здесь: Z - порядковый номер элемента; А - его массовое число; mp, mn, mядра - масса соответствующих частиц.

По закону взаимосвязи массы и энергии энергия связи ядра (Есв) пропорциональна дефекту массы (m):

. (4.14)

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, закономерно изменяется в зависимости от массового числа, причем максимальное её значение соответствует ядрам со средними значениями атомной массы. Это делает энергетически выгодными два типа процессов - слияние легких ядер (реакции синтеза) и деление тяжелых ядер (реакции распада). В настоящее время считается, что именно реакции первого типа - слияние ядер водорода (Z = 1) с образованием ядер гелия (Z=2), протекающие в недрах звезд, являются источником их энергии, поддерживающим температуру в десятки миллионов кельвинов. Процессы деления тяжелых ядер, в частности урана и плутония, позволяют получать энергию в атомных реакторах. Исторически сложилось так, что, хотя в обоих случаях речь идет о ядерной энергии, энергию, выделяющуюся при расщеплении атомных ядер принято называть атомной энергией, а при слиянии - термоядерной. Данные процессы являются примером превращения одних изотопов в другие. До XX в. такие процессы считались невозможными, а с открытием радиоактивности их исследование стало одним из важнейших направлений в физике микромира.

Радиоактивность - самопроизвольное превращение одних изотопов в другие, сопровождающееся испусканием излучения. Это явление открыто французским ученым А. Беккерелем (1852 - 1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана. Исследование состава радиоактивного излучения, его природы, различных радиоактивных веществ проводились Пьером Кюри (1859 - 1906)и Марией Кюри-Склодовской (1867 - 1934), а также Резерфордом. Из встречающихся в природе минералов радиоактивны соединения изотопов урана, тория, радия и др. Характеристикой устойчивости изотопа относительно распада является период полураспада - время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Ни физические, ни химические условия не влияют на радиоактивный распад, поэтому данное явление является источником наших знаний о геологической шкале времени. Определяя процентное содержание исходных и образовавшихся ядер, можно достаточно точно определить возраст, например, горных хребтов.

Исследования радиоактивного излучения показали, что существует три вида продуктов распада, обозначаемых греческими буквами б, в и г.

При б - распаде из атомного ядра вылетает б-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, то есть ядро гелия , и возникает новое ядро . Данный вид превращения обусловлен сильным взаимодействием и свойственен тяжелым ядрам (А>80). При в-распаде из ядра вылетает электрон, новое ядро имеет то же массовое число, но порядковый номер на единицу больше исходного . Этот процесс интересен появлением в результате распада ядра частицы, в нем не содержащейся. Теорию в-распада создал итальянский ученый Ферми. Оказалось, что в-распад обусловлен взаимными превращениями протонов и нейтронов, вызванным слабым взаимодействием. Примером такого превращения является рассмотренный ранее распад свободного нейтрона (3.12). Изучение закономерностей в-распада привело к гипотезе о существовании нейтральной частицы с нулевой массой - нейтрино, которая возникает одновременно с электроном. Экспериментально нейтрино было открыто в 1956 г. Для искусственных изотопов в-распад может протекать с возникновением античастицы электрона - позитрона; жесткое коротковолновое электромагнитное излучение, то есть поток фотонов большой энергии (г- лучи) сопутствует двум выше упомянутым видам распада.

Радиоактивные изотопы широко применяются в современной науке и технике прежде всего потому, что каждый из них - «меченый» атом, местонахождение которого можно определить по его излучению. Кроме того, используется проникающая и ионизирующая способности радиоактивных излучений. Наряду с радиоактивностью, реакциями распада и синтеза к ядерным превращениям относятся и различные ядерные реакции, протекающие при взаимодействии ядра с элементарными частицами и другими ядрами. Таким образом, атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого. Эти процессы происходят как самопроизвольно (радиоактивность), так и искусственным путем посредством различных ядерных реакций. Следует отметить, что в данных процессах всегда выполняются как фундаментальные законы сохранения, так и законы сохранения, специфичные для микромира.

Классификация элементарных частиц. Нуклоны (протоны и нейтроны), электроны, нейтрино, фотоны являются элементарными частицами. Их элементарность заключается не в простоте или отсутствии структуры, а в том, что из них «построен» весь материальный мир и их невозможно разбить на более мелкие свободно существующие составляющие. К элементарным относится и множество других частиц -гипероны, мюоны и т.д., которые существуют в свободном состоянии, возникают при ядерных реакциях, доходят до нас в составе космических лучей, но более сложных структур (подобных атомам) не образуют. Элементарные частицы разнообразны по массе, заряду, времени жизни, другим специфическим параметрам, не свойственным макротелам. В настоящее время принята следующая их классификация.

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют класс адронов. В него входят мезоны, обладающие целым спином, т.е. бозоны (например, пионы)и барионы, имеющие полуцелый спин, т.е. фермионы (например, нуклоны). Адроны участвуют в сильном, слабом, гравитационном и электромагнитном взаимодействиях. Согласно описанной выше модели, адроны имеют внутреннюю структуру и состоят из кварков. Все многообразие адронов (более трехсот) формируется комбинациями шести кварков (и шести антикварков), находящихся в различных квантовых состояниях. Мезоны строятся из двух кварков, барионы из трех. Кварки нельзя выделить как свободные частицы, но именно они считаются мельчайшими структурными составляющими адронов.

Второй класс частиц - лептоны. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и в современых теориях считаются бесструктурными. К ним относятся также шесть частиц: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Соответственно для каждой из этих частиц существует античастица.

Третий класс составляют частицы - переносчики фундаментальных взаимодействий: глюоны, фотоны, промежуточные бозоны, гравитоны (последние экспериментально пока не обнаружены

5. Системы. Самоорганизация материи

Термодинамический и статистический методы описания систем.

Наряду со многими происходящими в природе явлениями тепловые занимают важное место в жизни и деятельности человека (например, переход воды из жидкого агрегатного состояния в твердое при охлаждении до 0С и газообразное - пар - при нагревании до 100С). С изменением температуры на 20 30С при смене времени года окружающая нас среда преображается: вместо снежного покрова, зеленеют луга и леса.

Научное представление о тепловых явлениях дает наука термодинамика, являющаяся разделом естествознания. Термодинамика изучает закономерности протекания тепловых процессов в системах, а также взаимосвязи между тепловыми и другими явлениями. Она зародилась еще в античности, когда философы древности пытались связать теплоту с механическим движением тел. Древнее изречение гласит: ignis mutat res (лат.), что означает - огонь движет вещами. Первые успехи в построении научной теории теплоты достигнуты лишь в XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественных измерений тепловых свойств систем. Период бурного развития термодинамики приходится на XIX век в связи с изобретением и совершенствованием тепловых машин. В последние десятилетия она получила новое развитие: появилась термодинамика сильно неравновесных систем, методологическое значение которой выходит за рамки естествознания и касается социально-экономических наук. Кроме того, неравновесная термодинамика - одна из наук, в недрах которой зародилась синергетика - теория самоорганизации. Именно эти аспекты представляют для нас интерес в данном курсе.

В процессе обмена энергией и массой участвует множество тел (элементов, частиц). Макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек (в т. ч. мысленных, условных), состоящее из достаточно большого числа частиц и характеризующееся макроскопическими параметрами: объемом, температурой, давлением и др., - называют термодинамической системой. В зависимости от степени взаимодействия (перераспределения массы и энергии) с окружающей средой различают три вида термодинамических систем: изолированные, закрытые, открытые. Система называется изолированной, если ее масса и энергия со временем не изменяются; закрытой, если при неизменной ее массе (количестве частиц) она может обмениваться с окружающей средой энергией; открытой, если она обменивается с окружающей средой веществом, энергией. Для изучения тепловых процессов в естествознании сформировался термодинамический метод исследования. Он заключается в том, что термодинамическая система рассматривается как один целостный объект (а не как множество ее элементов, молекул), и ее состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. В качестве таковых обычно выбирают абсолютную температуру (температуру по шкале Кельвина - Т), давление (Р), молярный объем (объем одного моля вещества - VМ). Параметры связаны друг с другом, поэтому состояние системы можно представить в виде уравнения. Например, для идеального газа массой в один моль эту связь выражает уравнение Менделеева-Клапейрона:

PVМ = RT, (5.1)

где R = 8,314 Дж/моль * К - универсальная газовая постоянная.

Термодинамика подразделяется на: равновесную и неравновесную. Равновесная термодинамика изучает процессы в системах, находящихся в равновесном состоянии, а также процессы, протекающие при нарушении и восстановлении равновесия (например, такие явления, как теплопроводность или диффузия). Равновесное состояние системы - состояние, в котором ее параметры при неизменных внешних условиях остаются постоянными сколь угодно долго. Неравновесная термодинамика описывает явления в закрытых и открытых системах.

Термодинамический метод устанавливает связи между макроскопическими свойствами тел, рассматривая эти свойства как бы снаружи, не вникая в структуру вещества. Он изучает общие закономерности передачи и превращения энергии. Основу термодинамики составляют два фундаментальных закона: первое и второе начала термодинамики, которые являются итогом обобщения практического опыта человечества, поэтому он успешно применяется во всех отраслях естествознания (химии, биологии и др.). Однако, с другой стороны, термодинамический метод ограничен, так как не дает информации о механизме явлений.

Поведение громадного числа молекул, составляющих макротела, изучается также статистическим методом, который основан на том, что свойства макротел определяются свойствами молекул, особенностями их движения (скоростью, энергией, импульсом и т.д.) и взаимодействия. Например, температура может быть выражена через среднее значение кинетической энергии движения молекул. Статистический метод дает представление о механизме тепловых процессов, рассматривая их как бы изнутри макротел, он существенно дополняет термодинамический метод. Основные законы термодинамики также имеют статистический смысл. Поэтому оба метода составляют основу термодинамики.

Ссвойства систем. Системный подход.

Системность, целостность - общее свойство всех объектов окружающего мира, форма существования материи. Термодинамическая система - один из случаев целостности. Системность имеет место во всех средах объективной реальности: естественной, техногенной, антропосоциальной, информационной. Система - выделенное реальными или условными границами множество тел (элементов), находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Различные по своей природе, сложности, масштабам системы имеют общие свойства.

Система характеризуется единством двух противоположных аспектов: внутренней расчлененности, дискретности, сложности структуры и внешней целостности, неделимости.

Системе свойственна организация - внутренняя упорядоченность, согласованность, взаимодействие более или менее дифференцированных и автономных частей целого, обусловленные его строением. Организация предусматривает наличие определенных закономерностей упорядочения поведения элементов, чем сложнее эти закономерности, тем выше уровень организации.

Упорядоченность элементов в системе характеризуется симметрией (гл. III, п. 1), причем, чем более симметрична система, тем ниже уровень ее организации.

Для системы характерна двойственность: с одной стороны - относительно автономное, случайное и непрогнозируемое поведение элементов в микромасштабах, с другой - дальнодействующие корреляции, обеспечивающие согласованное поведение всех элементов, закономерное поведение системы, ее целостность.

Важнейшей особенностью системы является то, что ее свойства не складываются из свойств элементов, а свойства элементов не вытекают из свойств системы. Свойства системы формируются из свойств элементов путем качественного скачка, обусловленного организацией.

Основа организации системы - связи ее элементов. Связи подразделяются на прямые, линейные, обеспечивающие прямую зависимость следствия от причины, и обратные, нелинейные, обеспечивающие влияние следствия на причину. В свою очередь обратные связи бывают двух типов: обратные положительные, в результате которых следствие усиливает причину, изменения нелинейно нарастают (цепные реакции, лавины, автокаталитические реакции, прогресс); обратные отрицательные, в результате которых причина ослабляется следствием, процессы изменения затухают (автоингибиторные реакции, регресс), система стабилизируется. Оба типа связей имеют место в сложных системах, их конкуренция обеспечивает самоорганизацию.

Учет особенностей систем составляет сущность системного подхода - направления методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем. Этот подход ориентирует исследование на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину. Принципы системного подхода нашли применение в биологии, экологии, психологии, кибернетике, технике, экономике, управлении и др.

При рассмотрении систем любой природы используются модели изолированной и открытой системы. В первом случае система не обменивается с окружающей средой ни массой, ни энергией, ни информацией; во втором случае имеют место соответствующие потоки извне и во вне. В ряде задач при реализации системного подхода оказывается целесообразным и результативным применение термодинамических методов.

Основы равновесной термодинамики (термодинамики изолированных систем).

Первое начало термодинамики.