Концепции современного естествознания - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Концепции современного естествознания - страница №2/10


Лекция 5. Электромагнитная картина мира
В ХIХ веке физики разработали новый подход к ньютоновской теории тяготения. Они перенесли внимание с тел, обусловливающих гравитационное взаимодействие, на пространство между взаимодействующими телами. Это произошло тогда, когда физики занялись изучением электромагнетизма. Начало этому изучению положили Майкл Фарадей (1791 – 1867) и Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879). Они искали суть физических явлений во взаимодействии тел с окружающей их средой.

Теория тяготения Ньютона представляла собой теорию частиц и их взаимодействий. При новом подходе и частицы, и создаваемые ими гравитационные поля играли одинаково важную и взаимодополняющую роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою очередь воздействуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с другом непосредственно на расстоянии, но каждая частица испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного поля в той точке, где она находится. Теория поля отвергает непосредственное действие на расстоянии, т. е. принцип дальнодействия Ньютона, и пустоту заменяет материальной средой.

Таким образом, на место принципа дальнодействия Ньютона был поставлен принцип близкодействия, согласно которому, физическое действие может передаваться только от точки к точке и только с ограниченной скоростью. Пределом скорости распространения физического действия выступает скорость света в вакууме (с).

Ранее ученые считали, что электричество и магнетизм не связаны между собой. Но однажды датский физик Х.К.Эрстед (1777-1851), показывая опыт с электрическим током, заметил, что каждый раз, когда по проволочному контуру проходил электрический ток, стрелка лежащего рядом компаса вздрагивала. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле. Изменяющееся (переменное) электрическое поле создавало магнитное поле.

Фарадей показал, что при прохождении магнита через виток провода, в нем возникает электрический ток. Это означало, что изменение магнитного поля (переменное магнитное поле) создает электрическое поле. Была доказана единая природа электрического и магнитного полей.

Фарадей ввел в науку понятие электромагнитного поля как особой среды физических взаимодействия.

Математическую обработку теории электромагнетизма создал Максвелл. Он начал с рассмотрения четырех основных фактов об электричестве и магнетизме:

1. Электрические заряды отталкиваются или притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

2. Движущийся электрический заряд или ток создает магнитное поле.

3. Движущийся магнит создает ток, т. е. электрическое поле.

4. Электрический ток в одной цепи может порождать (индуцировать) ток в соседней цепи.

Создавая теорию электромагнетизма, Максвелл использовал аналогию между «силовыми линиями» поля и «потоком» в гидродинамике. Так, скорость течения «электрической жидкости» соответствовала силе тока, а разница давлений жидкостей – разности электрических потенциалов.



Четыре уравнения Максвелла, использующие векторный анализ, дают математическое описание электромагнитного поля.

Самым неожиданным для Максвелла оказалось то, что электромагнитное поле может существовать самостоятельно: оно отрывается от колеблющегося заряда и распространяется в пространстве. Электрическое и магнитное поле в ходе своего изменения взаимно возбуждают друг друга, в результате чего возникают электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью света в вакууме.Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн, определив, что они распространяются со скоростью света. Он открыл, что свет – это электромагнитная волна.

Через 10 лет после смерти Максвелла, в 1889 году, немецкий физик Генрих Герц (1857 – 1894) обнаружил электромагнитные волны неоптического диапазона – радиоволны. Сегодня физикам известен целый спектр электромагнитных волн: радиоволны, свет (оптический диапазон), рентгеновское излучение, гамма-излучение и др.

Законы Ньютона, и особенно его теория тяготения, а также последовавшая за ней теория электромагнетизма заложили фундамент для дальнейшего развития научного представления об устройстве мира.


ЛЕКЦИЯ 6. Принцип относительности. Теория относительности А.Эйнштейна
Принцип относительности. Впервые идея относительности движения теоретически обсуждается в четвертой апории Зенона Элейского «Стадий», в которой один и тот же всадник за одно и то же время проходит относительно одного всадника половину пути, а относительно другого – целый путь. Поставив вопрос о том, каков же «истинный путь», Зенон пришел к выводу, что движение, с точки зрения разума, вообще не существует.

В XVII в. принцип относительности движения находит свое развитие в работах Декарта. Он писал, что если одна частица движется к другой, то с таким же правом можно считать, что вторая движется к первой. На этом основании Декарт заключил, что состояние движения ничем не отличается от состояния покоя. Говорить о «движении вообще» бессмысленно. Можно говорить лишь о движении относительно какого-то выбранного тела, точки отсчета. Это тело помещается в основание некоторой «системы отсчета», системы координат.

Следующим этапом развития принципа относительности движения было представление об инерциальной системе, выдвинутое Галилеем и Ньютоном. Процессы движения в классической механике происходят в особых, привилегированных системах отсчета. Инерциальная система – та, в которой тело, на которое не действуют внешние силы, покоится или движется равномерно и прямолинейно. Принцип относительности движения в данном случае означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формулой, синхронизированные часы идут одинаково, а два наблюдателя, находящиеся в разных инерциальных системах, не заметят никаких изменений.



Принцип относительности Галилея гласит, что если законы движения справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Если же две системы координат движутся друг относительно друга неравномерно, то законы механики не могут быть справедливы в обеих системах одновременно. Системы координат, в которых законы механики справедливы, называются инерциальными системами. Вопрос о том существует ли вообще инерциальная система, стал важной и трудной физической проблемой. Но если есть хотя бы одна такая система, то их имеется бесконечное множество.

В первой четверти XX века произошла вторая в истории естествознания научная революция, приведшая к полному преобразованию классической механистической картины мира.

В науке конца XIX – начала XX вв. господствовали идеи электродинамики Максвелла и Лоренца, опирающиеся на представления о независимом существовании таких фундаментальных сущностей, как пространство, время, материя. Пространство рассматривалось как плоское, евклидово, бесконечное. Материя – как составленная из нейтральных атомов. Были известны два фундаментальных типа взаимодействиягравитационное и электромагнитное. Абсолютной системой отсчета считался мировой эфир, заполняющий весь космос. Свет рассматривался как колебания (волна) эфира. Законы, открытые для макроскопических тел и процессов, экстраполировались на всю шкалу масштабов – от космологических до атомных.

Однако уже в конце XIX века возникли сомнения в существовании мирового эфира. В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли предположили, что если мировой эфир существует, то при движении Земли вокруг Солнца сквозь эфир должен возникать «эфирный ветер», и если свет – волна в эфире, то скорость луча света должна зависеть от скорости движения Земли сквозь эфир и складываться из собственной скорости света в неподвижном эфире и скорости движения Земли в случае встречного движения Земли и луча света. Однако в опытах Майкельсона – Морли скорость света оставалась величиной постоянной, «эфирный ветер» обнаружен не был.

Из опыта Майкельсона-Морли можно было сделать следующие выводы:

1. Мирового эфира не существует.

2. Скорость света - предельно большая величина скорости любого движения, и к движению света не применим кажущийся очевидным принцип сложения скоростей, используемый в классической механике.

Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной теории. Эту проблему удалось решить Альберту Эйнштейну (1879 – 1955), создателю теории относительности, которая состоит из двух частей: специальной (частной) теории относительности (1905 г.) и общей теории относительности (1916 г.)

Специальная теория относительности начинается с двух постулатов:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2. Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Специальная теория относительности описывает законы движения при любых скоростях, но без учета силы тяготения. Обнаружить релятивистские эффекты экспериментально, однако, можно лишь при скоростях, близких к скорости света. При небольших скоростях специальная теория относительности сводится к классической механике Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.



Релятивистские эффекты, отличающие новое понимание движения от ньютоновского, заключаются в следующем.

Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из системы отсчета, движущейся относительно данной, размеры тел сокращаются в направлении движения системы отсчета, сравнительно с их размерами в данной системе, согласно формуле:


Дело не в том, что тело «на самом деле» сокращается, изменяет «свою величину». «Истинного размера» не существует. «Размер» тела, его пространственные характеристики – величина относительная.

В движущейся системе, относительно наблюдателя из неподвижной системы отсчета, время замедляет свой ход, течет медленнее, согласно формуле:

Точнее говоря, временные промежутки между событиями, одновременность и даже в известной мере последовательность событий во времени – относительны к системе отсчета (наблюдения). За один год, прошедший внутри космического корабля, движущегося относительно Земли со скоростью 0,99 от скорости света, пройдет 50 «земных» лет.

Относительной к системе отсчета величиной оказывается и масса тела, которая для Ньютона была величиной абсолютной. Масса тела зависит от его скорости, и с приближением скорости тела к скорости света масса тела стремится к бесконечности. Со скоростью света могут двигаться лишь тела с нулевой массой покоя. Для наблюдателя из другой системы отсчета масса тела в движущейся системе возрастает согласно формуле:

Таким образом, относительными к системе отсчета стали такие понятия как «длина», «промежуток времени», «одновременность», «масса».

Существуют, однако, величины, не зависящие от системы отсчета, так называемые инварианты:

- скорость света в вакууме (с);

- пространственно-временной интервал (S);

- само «событие».

Пространственно-временной интервал ∆S2=∆x2+∆y2+∆z2-∆(c2t2) был выведен не Эйнштейном, а Х.Лоренцом для обозначения метрики пространственно-временного континуума. Этот интервал выражает разницу между двумя событиями в пространстве-времени. x,y,z – пространственные координаты, а t – временная координата; с – скорость света = const. Специальная теория относительности устанавливает инвариантность (неизменность) значения самого этого интервала, т.к. релятивистское сокращение длины и релятивистское замедление времени компенсируют друг друга и поэтому значение самого интервала остается тем же.

Эйнштейн нашел также связь массы и энергии тела: Е =. mc2. В соответствии с этой формулой кусок раскаленного железа, например, весит больше, чем кусок холодного железа той же массы.

В 1916 году Эйнштейн завершил создание теории относительности, дополнив специальную теорию относительности общей теорией относительности. Она представляет собой дальнейшее развитие и обобщение ньютоновской теории тяготения. Общая теория относительности Эйнштейна вскрыла глубокую связь между пространством, временем, материей и тяготением. Геометрические свойства пространства-времени были поставлены в зависимость от распределения и движением материи. Поскольку пространство немыслимо без материи, оно оказывается не «плоским» (евклидовым), а «искривленным», и с повышением плотности материи «кривизна» пространства возрастает.

Такое пространство нельзя описать геометрией Евклида. В его описании нашла свое применение и обрела физический смысл неевклидова геометрия, возникшая еще в первой половине XIX века в трудах Карла Гаусса (1777-1855), Яноша Бойаи (1802-1860), Николая Ивановича Лобачевского (1793-1856), Бернхарда Римана (1826-1866). Геометрические свойства неевклидова пространства удовлетворяют всем аксиомам Евклида, за исключением аксиомы параллельности: если на евклидовой плоскости через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную (не пересекающую) данной, то в неевклидовой геометрии таких прямых можно провести бесконечное множество. В «плоском» пространстве Евклида кратчайшим расстоянием между двумя точками является прямая, сумма углов треугольника равна 180 градусам, кривизна пространства равна 0, используется декартова система координат. В сферическом пространстве Римана кривизна пространства больше нуля, кратчайшим расстоянием является «дуга» (геодезическая кривая), сумма углов треугольника больше 180 градусов, используется гауссова система координат. В псевдосферическом пространстве Лобачевского кратчайшим расстоянием является «вогнутая дуга», кривизна пространства меньше нуля, сумма углов треугольника меньше 180 градусов, используется гауссова система координат. В общей теории относительности используется геометрия Римана.

Общая теория относительности была шагом вперед в развитии теории всемирного тяготения. Тяготение стало рассматриваться как результат движения в искривленном вблизи другого тела пространстве-времени. Это искривление пространства-времени изменяет траектории движения всех тел, включая даже частицы света - фотоны, которые, как нам представляется, всегда движутся по прямой (луч света). Гравитационное поле стало, по сути, отождествляться с искривленным пространством-временем. Это позволило Эйнштейну отказаться от инерциальных систем отсчета и признать их не существующими в природе. Система не может двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго, т. к. она всегда находится в поле тяготения.

В поле гравитации имеют место релятивистские эффекты (сокращение длины тел, замедление течения времени и увеличение массы тел), рассмотренные в специальной теории относительности. Так, в конусе действия «черной дыры» масса тела относительно наблюдателя из другой системы отсчета возрастает до бесконечности, размер превратится в точку, а время остановится.

В основу общей теории относительности Эйнштейн положил известный еще со времен Галилея факт равенства инертной и гравитационной масс. Галилей не придавал большого значения этому факту. Эйнштейн же увидел в нем глубинный закон природы, на основании которого он сформулировал принцип эквивалентности. Этот принцип устанавливает физическую идентичность поля тяготения и сил инерции (ускоренного движения).

И, наконец, Эйнштейн сформулировал общий принцип относительности, согласно которому физические законы являются инвариантными не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах, то есть во всех системах отсчета.

Общая теория относительности нашла и экспериментальные подтверждения своей истинности. Так, 29 мая 1919 года Эддингтоном и Дайсоном было подтверждено предсказание общей теории относительности об отклонении луча света от прямолинейной траектории вблизи Солнца. Было подтверждено также рассчитанное Эйнштейном смещение перигелия Меркурия, которое невозможно объяснить другими теориями.


ЛЕКЦИЯ 7. Современные представления о Вселенной.
Принципиально новые, революционные космологические следствия общей теории относительности раскрыл русский математик и физик-теоретик А. А.Фридман (1888-1925). Решение уравнений Эйнштейна позволило ему построить новые математические модели Вселенной.

Первую модель Вселенной на основе ОТО предложил сам Эйнштейн, который пришел к выводу, что Вселенная должна быть стационарной и иметь форму четырехмерного «цилиндра». Фридман же доказал, что искривленное пространство Вселенной не может быть стационарным.

В 1922-1924 годах Фридман выступил с критикой модели Эйнштейна и показал необоснованность исходного постулата о неизменности Вселенной во времени. Исходя из противоположного постулата о возможности изменения радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман построил три математических модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства растет, и Вселенная расширяется (в одной модели расширяется из точки, в другой – из некоторого объема). Третья модель рисует картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Фридман сообщил о своих результатах Эйнштейну, который сначала не обратил на них серьезного внимания, однако затем проверил его результаты и признал их правильными.

Две первые модели Фридмана вскоре нашли подтверждение в наблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте «красного смещения» в спектрах галактик. Красное смещение свидетельствовало о «разбегании» друг от друга всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений. Спектром называется набор излучаемых длин волн, характерный для данного вещества (в данном случае - водорода, так как он наиболее распространен во Вселенной). Волны, доходящие до нас от далеких галактик, имеют большую длину и меньшую частоту. Со временем длина волны, исходящей от дальней галактики, увеличивается, соответственно, при спектральном анализе мы наблюдаем смещение спектра в его «красную» часть. Таким образом подтверждается факт расширения наблюдаемой нами части Вселенной. Большинство космологов понимает расширение как расширение всей Вселенной.

Открытие расширения Вселенной связано и с именем американского астронома Эдвина Хаббла (1889-1953). Он дал свой ответ на главный вопрос космологии – о конечности или бесконечности Вселенной. Хаббл измерил скорости 18-ти галактик в ближайшем к нам созвездии Девы и нашел общую закономерность движения галактик: “красные смещения” в спектрах галактик росли пропорционально расстояниям от наблюдателя (или от центра нашей галактики) (закон Хаббла). Чем дальше галактики друг от друга, тем больше скорость их «разбегания»: (v = H x R), где v – скорость разбегания галактик, Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, R – расстояние до наблюдаемой галактики. С увеличением расстояния между галактиками на миллион парсеков (около трех миллионов световых лет) скорость их «разбегания» увеличивается примерно на 70 километров в секунду.



Величина, обратная постоянной Хаббла , означавшая время, в течение которого разбегались галактики, прямо указывала на то, что должно было существовать начало такого разбегания, а может быть и начало существования самой Вселенной.

t = =  =  при подстановки V = H x R

Такая интерпретация закона Хаббла с очевидностью подтверждала теорию нестационарной Вселенной, построенной Фридманом. В астрономической картине мира утвердился образ нестационарной, развивающейся Вселенной.

Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической плотности (5 х 10-30 г/см3), то Вселенная будет «открытой», бесконечно расширяющейся. Если же средняя плотность вещества во Вселенной больше или равна критической плотности, то она – «закрытая», и со временем начнет сжиматься, коллапсировать. Критическая плотность – примерно 9 граммов в кубическом сантиментре, поделенные на единицу с тридцатью нулями.

Одна из наиболее острых проблем современной космологии – это проблема скрытой массы, от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Одним из проявлений скрытой массы являются «черные дыры». Черная дыра – это потухшая звезда, с массой более 3-х масс Солнца, которая, исчерпав свое ядерное топливо, потухает и испытывает гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие). Вокруг «черной дыры» образуется своеобразная гравитационная «воронка», то есть такое искривление пространства-времени, вследствие которого «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, следовательно, ее невозможно обнаружить. Сила тяготения на поверхности «дыры» столь велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость, превышающую скорость света. На поверхности «черной дыры» имеют место экзотические релятивистские эффекты (сокращение длины тела в точку, увеличение массы тела до бесконечности, остановка времени). Ученые предполагают, что «черные дыры» образуют ядра галактик. В нашей галактике известно и описано 26 «черных дыр».

Современная астрономия не знает, что представляет собой Вселенная в целом. Мы можем говорить лишь о той части Вселенной, которая доступна нашему наблюдению – о нашей Метагалактике. Ее размеры составляют около 10 миллиардов световых лет.

В 30-е годы ΧΧ века рядом ученых (Ж.Леметр, Э.Милн, А.Фридман) была выдвинута интерпретация разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи.

Научная космологическая теория - теория Большого Взрыва (Big Bang) была создана американским физиком русского происхождения – Г.А. Гамовым (1904-1968) совместно с физиками Р.Альфером и Г.Бете. Согласно этой теории вся современная наблюдаемая нами Вселенная представляет собой результат катастрофического взрыва материи, находившейся до того в чудовищно сжатом сверхплотном состоянии, состоянии сингулярности, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики. Начавшееся при этом взрыве расширение материи привело первоначально к неразделимой смесиизлучения и вещества.

Первоначально Вселенная состояла из водорода (70%) и гелия (30%); все остальные химические элементы возникли позже, когда образовались звезды. Первое поколение звезд состояло только из гелия и водорода.

Огромное количество водорода в наблюдаемой части Вселенной заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была заполнена главным образом высокотемпературным излучением, хотя и содержала некоторое количество частиц и античастиц. После взаимной аннигиляции (взаимоуничтожения) частиц и античастиц остались частицы, так как их было чуть больше. Исходное соотношение между излучением (числом фотонов) и частицами (числом частиц) сохраняется и в современной Вселенной.

Гамов и его ученики в 1948 году предсказали, что в современной Вселенной остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое, соответствующее температуре примерно в три градуса по шкале Кельвина. Позднее оно было неоднократно обнаружено экспериментально и получило название реликтового излучения.

Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва и показало, что у нашей Вселенной имеется ранняя история, и что она, действительно, эволюционировала.

Расширение Вселенной, судя по современной его скорости, началось 13,7 миллиардов. лет назад. Раннюю Вселенную можно охарактеризовать как последовательность эпох. Самая ранняя эпоха продолжалась 10-43 сек. К концу этой эпохи температура составляла 1032К, а плотность вещества достигала 1097кг/м3. В эту же эпоху существовали элементарные строительные блоки (кварки).

По мере падения температуры из кварков образовались адроны (тяжелые частицы).

Через 10-3 сек после начала расширения вещество Вселенной состояло из частиц (протонов, нейтронов, электронов, мюонов, пионов, нейтрино и гравитонов) и их античастиц. Приблизительно через 1 сек в результате аннигиляции остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино, гравитоны.

При дальнейшем снижении температуры, когда энергия упала ниже энергии связи сложных ядер, протоны объединились с нейтронами, образуя атомные ядра. В этом первичном синтезе образовалось 30% атомарного гелия, остальное же вещество почти полностью состояло из свободных протонов. Температура продолжала снижаться и была уже слишком низкой для синтеза ядер. За это время успело образоваться лишь очень немного ядер тяжелее, чем ядра гелия.

Охлаждение продолжалось и далее, но темп его замедлился, так что потребовалось 1015 сек, чтобы температура достигла 104К. На этой стадии свободные протоны и электроны образовали атомарный водород. Вещество стало прозрачным для излучения и с этого времени вещество и излучение разъединились. С этого момента появилось реликтовое излучение, через 3.105 лет после Большого Взрыва.

В это же время стали образовываться электрически нейтральные атомы (гелия и водорода), то есть ядра стали соединяться с электронами, образуя «нормальный» атом – с ядром и электронной оболочкой.

Охлаждающийся газ образовал облака, из которых возникали протогалактики. Области повышенной плотности притягивали дополнительное вещество, и их сила тяготения увеличивалась. Медленное сжатие протогалактик происходило под действием самогравитации. Одна за другой сменялись последовательные эпохи, пока в газовых облаках начался процесс звездообразования. Так как протозвезды сжимались, происходило постепенное их разогревание до тех пор, пока температура центральных областей не поднялась до нескольких миллионов градусов, чтобы началась термоядерная реакция. С момента выделения ядерной энергии сжатие протозвезды прекращается, так как температура и давление в центре ее возрастают и уравновешивают силу гравитации. Протозвезда обретает равновесие и становится звездой.

Все химические элементы, за исключением гелия и водорода, возникли на поверхности звезд (легче железа) и в недрах звезд (тяжелее железа).



Сейчас существует 2-е поколение звезд, к которому относится и наше Солнце.

По данным ряда астрофизиков, наблюдаемой Вселенной осталось существовать 22 миллиарда лет. После чего она будет «разорвана» набирающей уже сегодня силу «темной энергией», равносильной антигравитации. На сегодня установлено, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагали ранее. Это связано с нарастанием силы «темной энергии» или антигравитации, существование которой предположил еще Эйнштейн, обозначив ее в своем уравнении значком λ (лямбда). Силе «темной энергии» могла бы противостоять сила гравитации, но она зависит от массы вещества во Вселенной. Масса известного нам вещества (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т.д.) составляет всего 5% от критической массы, необходимой для остановки расширения космоса с помощью гравитации. Еще 30% необходимого вещества («темного вещества») составляют таинственные частицы, которые предсказаны лишь теоретически и экспериментально не наблюдались. «Темная энергия» составляет около 70%. Таким образом, наша Вселенная обречена на «великий разрыв», или – «Великий Хруст» - Big Crunch.



Физический вакуум – это разновидность реально существующей материи, по своим свойствам отличающийся как от вещества, так и от поля. В вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения частиц.

Понятие «физический вакуум» было введено в 1928 году П.Дираком. Согласно Дираку, это система частиц, в которой отсутствуют частицы с положительной энергией. «Море Дирака» - это электроны с отрицательной энергией. Дирак предсказал существование первой античастицы – позитрона – как «дырки» в физическом вакууме. Вакуум – это система, в которой отсутствуют реальные частицы данного вида (например, электроны).

Появление реальных частиц рассматривается как возбуждение вакуума, поэтому вакуум можно рассматривать как среду, порождающую вещество и поле.

Вакуум – это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. В вакууме происходят квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы. Энергия вакуума может переходить в поле, а поле – в частицы. Так, на короткое время (определяемое соотношением неопределенностей Гейзенберга) любая система может перейти в состояние, отличающееся от предыдущего состояния по энергии, с нарушением закона сохранения энергии. Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности Эйнштейна энергия может переходить в массу (Е = m.c2), то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время.

Физический вакуум существует повсюду. В нем происходит взаимодействие элементарных частиц. Вакуум воздействует на все тела своей антигравитацией, но обратному гравитационному воздействию от этих тел не поддается.

Согласно инфляционной модели Вселенной нидерландского астронома В. де Ситтера в ранние моменты эволюции Вселенной вся энергия мира была заключена в вакууме. Стадия инфляционного (сверхбыстрого) расширения Вселенной длилась 10-35 сек. За это время Вселенная быстро расширялась, а заполняющий ее вакуум растягивался. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, когда возникновения малейших неоднородностей было достаточно, чтобы вызвать переход системы в другое состояние. При переходе вакуума в другое состояние выделяется огромная энергия. За счет этой энергии происходит рождение из вакуума реальных частиц, которые начинают двигаться с огромными скоростями. Температура вселенной возрастает до 1027 0К. Вселенная становится горячей.

Физический вакуум является ненаблюдаемой физической реальностью. У нас нет фундаментальной физической теории, адекватно описывающей его состояния и динамику. Также имеет место недостаточность экспериментальных данных. Единственным доказательством существования вакуума являются точные предсказания взаимодействия с ним реальных частиц. Так, например, аномальный магнитный момент электрона появляется в результате его взаимодействия с вакуумом.
Антропный космологический принцип.
Наблюдая Вселенную и изучая историю ее эволюции, многие ученые пришли к выводу, что в ней действует некий принцип, организующий Вселенную наилучшим образом. Так, энергия расширения Вселенной очень хорошо согласовывалась с ее гравитационной энергией, обеспечивая Вселенной максимально длительный срок существования. Некоторые физики предположили, что строение физического мира неотделимо от существования его обитателей, наблюдающих мир. Физики утверждают, что существует принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку всех явлений и процессов во Вселенной, но это не физический принцип, а антропный, связанный с человеком как частью Вселенной.

Антропный принцип был впервые выдвинут английским астрофизиком Брэндоном Картером в 1973 году в качестве противовеса неоправданно широкому использованию принципа Коперника, согласно которому мы не занимаем привилегированного места во Вселенной. Последнее положение является ошибочным с позиций современной науки, так как само наше существование как сложных физико-химических существ требует определенных условий, которые встречаются только в определенных местах Вселенной и на определенных стадиях ее истории. Само наше существование как разумных существ зависит от структуры физического мира. Так, если бы любое из точно отрегулированных условий было нарушено, то жизнь была бы невозможна (по крайней мере, известная нам ее форма).



Многие из основных свойств Вселенной определяются, в сущности, значениями фундаментальных физических констант, таких, как гравитационная постоянная, заряд электрона, масса протона, постоянная Планка, скорость света в вакууме и др. Свойства Вселенной были бы совершенно иными, если бы перечисленные константы имели значения, хотя бы слегка отличающиеся от наблюдаемых. Все это побуждает задать вопрос: почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных констант, из бесконечного разнообразия первоначальных условий, которые могли бы существовать в ранней Вселенной, реализуется вполне конкретный набор и конкретные величины констант? Ответы на этот и подобные вопросы пытается дать Антропный принцип, который подразделяется на 4 вида (модификации).

Слабый Антропный принцип: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями нашего существования как наблюдателей» (Б.Картер). Любые космологические наблюдения, сделанные астрономами, основаны на всеобъемлющем селекционном эффекте: нашем собственном существовании. Мы не можем наблюдать явления, существование которых несовместимо с нашим существованием.

Сильный Антропный принцип: «Вселенная должна иметь такие свойства, которые позволяют жизни развиться внутри нее на некоторой стадии ее истории. Или: Вселенная такова потому, что мы существуем» (Б.Картер). Этот принцип указывает на специфику самой Вселенной, которую мы населяем. Для устойчивого существования атомов, звезд, галактик необходима очень тонкая «подгонка» ряда численных величин фундаментальных физических констант. Небольшое отклонение от этих величин, хотя бы одной из них, приводит к потере устойчивости или к выпадению определенного звена эволюции. Получается, что наша Вселенная как бы «запрограммирована» кем-то определенным, наилучшим образом, например, Богом или некоей «высшей разумной силой». Здесь физика соприкасается с теологией. Поскольку в современной физике прибегать к теологическим аргументам не принято, некоторые ученые (Гут, Стейнхард, Линде и др.) предложили гипотезу множественности вселенных. Согласно ей, наша Вселенная - лишь одна из множества существующих Вселенных, и нам «повезло», что в результате игры случая в ней сложились оптимальные условия для нашего существования.

Антропный принцип участия: «Необходимы наблюдатели, чтобы существовала Вселенная» (Дж.Уиллер). Этот принцип имеет физическое содержание, когда рассматривается в свете копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Финальный Антропный принцип: «Разумный информационный процесс должен возникнуть во Вселенной и, однажды возникнув, он никогда не умрет» (Ф.Типлер). Если образование сознания с необходимостью подразумевается всеобщим порядком, то тогда будет трудно примириться с перспективой его будущего разрушения, которое кажется неизбежным в ряде космологий. Более разумно было бы предположить, что природа не безразлична к будущей судьбе сознания и обеспечит условия его вечного существования, совсем не обязательно в человеческих формах.
ЛЕКЦИЯ 8. Представление об элементарных частицах и их свойствах.

Первые модели атома.

Английский физик Дж.Томсон (1856-1940), исследуя прохождение электрического тока через разреженные газы, открыл в 1897 г. электрон, и определил его заряд. Томсон показал, что электрон - один из составных элементов атома, один из элементарных кирпичиков, из которых построено вещество. Он предложил в 1903 г. одну из первых моделей атома, согласно которой атом представляет собой сферическую положительно заряженную сферу, «набитую» электронами, подобно “булке с изюмом”. Извлечь электроны из атома сравнительно легко. Это можно сделать нагреванием, трением или бомбардировкой атома другими электронами.

Однако большую часть массы атома составляют не электроны, а ядро атома. Существование ядра было открыто Э.Резерфордом (1871-1937), который бомбардировал золотую фольгу α- (альфа) частицами и обнаружил, что есть места, где частицы отскакивают от чего-то массивного, а есть места, где частицы свободно пролетают насквозь.

Резерфорд создал на основе этого открытия планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, которое сосредоточивает в себе основную массу атома, а вокруг ядра по круговым орбитам обращаются электроны, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Атом Резерфорда, согласно известным законам электродинамики, должен постоянно излучать энергию, поэтому электроны должны были бы приближаться к ядру, упасть на него и его разрушить, т. е. такой атом не может быть стабильным. Однако атом очень устойчив, и разрушить его крайне трудно. Эта проблема некоторое время не находила своего решения.



Фотоэлектрический эффект.

В 1888-1890 гг. русским физиком А.П.Столетовым был исследован фотоэлектрический эффект. Свет может «выбивать» из металла электроны. Мы можем подсчитать число этих электронов, определить их скорость и энергию. Если бы освещаем металл светом той же длины волны, но из более мощного источника, то следовало бы ожидать, что энергия испускаемых электронов будет больше. Однако, ни скорость, ни энергия электронов не изменяются при возрастании интенсивности света. Это явление оставалось непонятным до открытия кванта энергии М.Планком. Опираясь на идею кванта, А.Эйнштейн разработал в 1905 году теорию фотоэффекта.



Ультрафиолетовая катастрофа.

В конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». Экспериментальное исследование спектра теплового излучения абсолютно черного тела дало результаты, несовместимые с расчетами, проведенными в рамках классической электродинамики. По расчетам получалось, что в ультрафиолетовом конце спектра излучения интенсивность должна неограниченно возрастать, что коренным образом противоречило опыту.

Отметим, что любое нагретое тело испускает излучение определенной длины волны в зависимости от своего химического состава. Это можно видеть по разным спектрам излучений, полученным от разных химических элементов.
Открытие кванта энергии М.Планком.

Пытаясь решить проблему «ультрафиолетовой катастрофы», М. Планк (1858-1947) был вынужден допустить, что противоречие возникает из-за неправильного понимания классической физикой самого механизма излучения. В 1900 г. он выдвинул гипотезу о том, что излучение и поглощение энергии происходит не непрерывно, а дискретно - порциями (квантами). Планк назвал эти порции энергии фотонами. Энергия фотона определяется по формуле E = , где ν – частота излучения, а h - коэффициент пропорциональности, или постоянная Планка.

На основе идеи Планка удалось решить не только проблему «ультрафиолетовой катастрофы», но и другие вышеперечисленные проблемы. Сразу стало понятно, что квантовая теория света дает объяснение и фотоэлектрическому эффекту. Поток фотонов падает на металлическую пластинку. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Поэтому понятно, что увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлической пластинки вырывается большее число электронов, но энергия каждого отдельного электрона не изменяется.

Энергия световых квантов различна для лучей разных цветов, т. е. волн разной частоты. Так, энергия фотонов красного света вдвое меньше энергии фотонов фиолетового света. Рентгеновские же лучи состоят из фотонов гораздо большей энергии, чем фотоны белого света. Если мы будем выбивать электроны волной большей частоты, то энергия выбиваемых электронов возрастет.
Модель атома Н.Бора.

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) создал свою модель на основе открытия Планка, которое позволило ему разрешить затруднения планетарной модели атома Резерфорда.

Согласно модели атома водорода Бора, в центре атома расположено массивное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются электроны. Атом излучает энергию не постоянно, а порциями (квантами) и только в возбужденном состоянии. В этом случае мы наблюдаем переход электронов с внешней орбиты на внутреннюю. В случае же поглощения атомом энергии имеет место переход электронов с внутренней орбиты на внешнюю.

Вышеперечисленные открытия, как и многие другие, нельзя было понять и объяснить с точки зрения классической механики. Нужна была новая теория, которая была создана в 1925-1927 гг. и получила название квантовой механики.

После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания, а сам состоит из более простых частиц, начался поиск элементарной частицы.

Элементарной частицей в настоящее время называют такую частицу, которая меньше атомного ядра (начиная с протона, электрона, нейтрона). На сегодняшний день известно более 400 элементарных частиц.

Как мы уже знаем, первой открытой в 1897 году Дж.Томсоном элементарной частицей был электрон. В 1919 году Э.Резерфорд открыл протон, положительно заряженную тяжелую частицу, входящую в состав атомного ядра. В 1932 году английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтрон - тяжелую частицу, не имеющую электрического заряда и тоже входящую в состав атомного ядра. В 1932 году П. Дирак предсказал первую античастицупозитрон, по массе равный электрону, но обладающий противоположным (положительным) электрическим зарядом. Обнаружен позитрон был в том же 1932 году американским физиком К.Андерсоном в космических лучах.

В 1936 году были открыт мюон и его античастица - также в космических лучах.

В 1955 году в опытах на ускорителе элементарных частиц был зарегистрирован антипротон.

В 1956 году был зарегистрирован антинейтрон.

На сегодняшний день обнаружены античастицы практически у всех известных частиц.



Частица и античастица должны иметь одинаковые массы и время жизни в вакууме, но отличаться противоположными значениями какого-либо признака (например, электрического или барионного заряда). Если все свойства частицы и античастицы совпадают, то такая частица называется истинно нейтральной, например, фотон, нейтральный пион и др.

С 50-х годов ХХ века основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали сверхмощные ускорители – адронные коллайдеры.

Все частицы делятся на частицы вещества и частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий.

Исходными частицами, из которых построены все остальные частицы и все вещество во Вселенной, являются лептоны (и их античастицы) и кварки (и антикварки), из которых построены адроны.

Вещество Вселенной состоит из 2-х лептонов (электрона и электронного нейтрино) и 2-х адронов: протона и нейтрона, из которых состоят атомы. Все остальные частицы возникают лишь в ускорителях и в явлениях, порождаемых космическими лучами.



Частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий – это фотоны, гравитоны, промежуточные векторные бозоны, глюоны. Они переносят электромагнитное, гравитационное, слабое и сильное взаимодействие. Все эти частицы экспериментально обнаружены, кроме гравитона, который пока еще является гипотетической частицей.
Характеристики элементарных частиц.

1. Одна из существенных характеристик элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них составляет 10-24 грамма, а размер - порядка 10-16 сантиметра.

2. Другая характеристика элементарных частиц – это способность рождаться и уничтожаться, то есть испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Например, при взаимодействии (аннигиляции) двух противоположных частиц электрона и позитрона выделяется два фотона (кванта энергии): е- + е+ = 2γ

3. Следующей важной характеристикой является трансмутация, то есть «превращение» частиц при взаимодействии, причем масса новых частиц может превосходить массу исходных: часть энергии, выделившейся при взаимодействии, переходит в массу.

4. Элементарные частицы различаются по: 1) видам взаимодействия; 2) типам взаимодействия; 3) массе; 4) времени жизни; 5) спину; 6) электрическому или барионному заряду.

5. Элементарные частицы участвуют во всех видах фундаментального взаимодействия.



Фундаментальное взаимодействие.

Все разнообразие сил, действующих в природе, можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Все взаимодействия между частицами вещества переносятся другими частицами – частицами-переносчиками взаимодействий, называемыми виртуальными, т. к. их нельзя зафиксировать при помощи детектора частиц. При некоторых условиях частицы-переносчики можно зарегистрировать в виде волн (например, электромагнитных волн для фотона).

Как происходит взаимодействие? Действие поля одной частицы вещества на другую частицу происходит в результате поглощения второй частицей одного из квантов, испущенных первой частицей. Например, один из электронов испускает фотон (квант) и переходит при этом в новое энергетическое состояние. Этот фотон поглощается другим электроном, и состояние последнего тоже изменяется.

Виды взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие – обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах, а также связь между кварками в протонах и нейтронах. Переносчиком этого взаимодействия являются глюоны.

Электромагнитное взаимодействие – менее интенсивно, чем сильное ядерное, определяет связь между электронами и ядром в атоме, а также связь между атомами в молекуле. Переносчиком этого взаимодействия являются фотоны.

Слабое взаимодействие вызывает медленно текущие процессы, в частности процесс распада частиц, например, радиоактивные процессы. Переносчиком этого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны.

Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие между отдельными частицами; сила этого взаимодействия в квантовой механике крайне мала вследствие малых расстояний и малости масс, но его сила значительно возрастает при взаимодействии больших масс. Переносчиком этого взаимодействия являются гипотетические, пока еще не обнаруженные частицы – гравитоны.

В квантовой механики все элементарные частицы могут взаимодействовать только по двум типам: адронному и лептонному.

По массе частицы подразделяют на тяжелые (протон, нейтрон, гравитон и др.), промежуточные (мезон) и легкие (электрон, фотон, нейтрино и др.) Фотон в состоянии покоя имеет нулевую массу.

По времени своего существования частицы подразделяются на стабильные, с достаточно длительным сроком существования (например, протоны, нейтроны в составе атома, электроны, фотоны, нейтрино и др.), квазистабильные, то есть имеющие достаточно короткое время жизни (например, античастицы) и нестабильные, имеющие предельно короткое время существования (например, резонансы).

Каждая элементарная частица имеет спин (от английского - вертеться, вращаться), характеризующий ее собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с ее перемещением как целого. Спин измеряется целым или полуцелым числом. Элементарные частицы можно разделить по спину на бозоны и фермионы. Частицы с нулевым или целыми спинами (1 или 2) называют бозонами. Частицы с полуцелыми спинами называют фермионами. Частицы, из которых состоит вещество, являются фермионами, а частицы-переносчики взаимодействий – бозонами.

Концепция спина была введена в физику в 1925 году американским ученым Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок».

Для элементарных частиц характерно наличие положительного или отрицательного электрического заряда, либо отсутствие электрического заряда вообще. Кроме электрического заряда, у элементарных частиц группы барионов присутствует барионный заряд.


<< предыдущая страница   следующая страница >>