Микромир: концепции современной физики

⇐ ПредыдущаяСтр 38 из 57Следующая ⇒

ХХ век вывел естествознание к микрообъектам в физике, химии, биологии, т.е. был открыт микромир – мир непосредственно не наблюдаемых объектов с предельными характеристиками в пространственной размерности от 10^-8 до 10^{-16 см и с временем жизни от 10-24} сек. до º. Концептуальные идеи и принципы классической физики оказались неприменимыми для объяснения явлений микромира. Прежде всего рухнуло представление об атомах как неделимых и абсолютно простых объектах. Открытие электрона – отрицательно заряженной частицы, которая входит в структуру атома, при том, что он электрически нейтрален, позволило предположить, что в нем содержится еще и положительно заряженная частица. Исследование радиоактивности показало, кроме того, что атомы одних химических элементов могут переходить в атомы других химических элементов, а это невозможно, если считать, что атомы неделимы. Наконец, Э.Резерфорд экспериментальным путем установил, что атом имеет сложную структуру. Облучая альфа частицами, имеющими положительный заряд, атомы различных химических элементов, он обнаружил отклонения этих частиц под разным углом иногда даже более 90⁰.

Так было открыто ядро, размер которого 10^{-12 см., что значительно меньше размера атома (10-8 см.), но в нем заключена почти вся масса. Стало ясно, что атомы это объекты со сложной структурой, и не являются простейшей формой материи. Из периодической системы химических элементов Д.Н.Менделеева следовало, что существует многообразие структур и форм атомов, а, следовательно, существует многообразие и частиц, из которых они состоят. Изучая элементарные частицы, физика столкнулась с парадоксом для логики классического естествознания. Объекты микромира обнаруживали не только волновые, но и корпускулярные свойства. Проблема привлекла внимание М.Планка, который теоретически доказал, что в процессах излучения и поглощения энергия может передаваться только конечными порциями – квантами, а величина ее зависит от частоты излучения. Квант может поглощаться и излучаться отдельным атомом, т.е. он ведет себя как корпускула. Понятие кванта послужило в дальнейшем, ключом к пониманию свойства как атомной оболочки так и ядра, что привело к фундаментальному преобразованию не только физики, химии, но и биологии, т.е. был открыт путь к квантовой теории, к новой атомной физике, а через них к новому естествознанию и новой картине мира.}

Опираясь на идею кванта, А.Энштейн построил новую теорию света, где свет рассматривается как распространяющийся в мировом пространстве волновой процесс, энергия которого концентрируется в дискретных порциях – фотонах. Различие цветов, например, определяется энергией квантов и частотой излучения. Квантовая теория света объясняла явления фотоэффекта, показав, что электрон выбивается из атома вещества, если энергия фотона, а, следовательно, и его частота, выше энергии связи электрона с веществом. Квантовая теория света позже получила экспериментальное подтверждение, что означало ее истинность. Стало очевидно, что свет не только непрерывен, но и дискретен, что его природа не только волновая, но и корпускулярная. Корпускулярно-волновой дуализм позволил Н.Бору приступить к разработке теории и модели атома, пришедшей на смену планетарной модели Э.Резерфорда, который предлагал атом представлять по аналогии с солнечной системой: ядро – в центре, вокруг по орбитам двигаются электроны. Положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов, атом электрически нейтрален, а его место в системе Менделеева определяется величиной заряда ядра.

Трудность заключалась в том, что электроны должны вращаться вокруг ядра, но тогда согласно электродинамике, они должны излучать энергию, следовательно, теряя ее они должны были бы «упасть» на ядро. Кроме того, излучение должно было быть непрерывным, но опыт показывал, что оно осуществляется квантами, т.е. дискретно. Разрешил противоречие Н.Бор, разработав квантовую теорию атома, с учетом принципа корпускулярно-волнового дуализма. Он предположил: 1) Каждый атом может иметь несколько стационарных состояний, когда электрон, двигаясь по орбите, может не излучать энергию и 2) Электрон, получив возбуждение, может менять орбиту и тогда он излучает или поглощает энергию. Стало ясно, почему атомы химических элементов в обычном состоянии не излучают энергию. Преимущества теории Н.Бора были наиболее четко продемонстрированы при описании атома водорода, как наиболее простого типа атомных структур. В дальнейшем, однако, возникли трудности. Дело в том, что длина волны электрона равна 10^{-8 см. Это размер самого атома. Описать движение материальной точки как механическое можно точно только в том случае, если волновая характеристика этой частицы пренебрежимо мала по сравнению с описываемой системой, но это значит, что электрон следует рассматривать не как плотный шарик, а как пластическое образование с гибкой внутренней структурой. Следовательно, представлять движение электрона как точки по строго фиксированной орбитальной траектории неверно. Он, обладая волновыми характеристиками, как бы растянут по орбите, причем неравномерным образом. В одних точках его плотность выше, в других – ниже. Кривая, связывающая точки максимальной плотности считается в электродинамике образом орбиты электрона. Сделанные исходя из этого вычисления, подтвердили модель атома Н.Бора.}

В своей теории атома Н.Бора не удалось полностью отказаться от принципов классической физики. Однако стало ясно, что необходимы не классические идеи и принципы, поскольку невозможно выразить сущность атома с помощью механического моделирования. В атоме обнаруживались новые и неизвестные свойства материи, особенно для элементарных частиц, для их пространственных и временных характеристик, для понимания причинности и т.д. Модель атома не может быть «наглядной», она скорее абстрактно-символическая конструкция теоретической физики.

Л.де Бройль распространил волновые представления на все виды материальных объектов, как на микро так и на макро уровне. Любому телу, обладающему массой и движущемуся с определенной скоростью, соответствует волна. Э.Шредингер нашел математическое уравнение, описывающее поведение волн материальных объектов. Идея дуализма волновых и корпускулярных свойств позволила построить теорию, охватывающую процессы движения как вещества, так и поля, причем понятие волны приобрело абстрактный вид и стало пониматься как «волна вероятности», т.е. она стала указывать на определенную возможность нахождения частицы в пределах некоторого объема. Позже корпускулярно-волновой дуализм нашел экспериментальное подтверждение и стал концептуальным принципом новой физики. В квантовой механике используются как корпускулярные представления, предполагающие, что частица заключена в малом объеме и в конечном пространстве, а наряду с этим – она «волна», которая распространяется в пространстве и не имеет «точечной» локализации.

Сущность этого противоречивого единства получила теоретическое выражение в соотношении неопределенностей В. Гейзенберга, которое гласит, что нельзя одновременно определить все параметры частицы. Координаты частицы и ее импульс, изменение энергии и время, в течение которого произошло изменение величины взаимодополнительные. Получение экспериментальной информации об одних величинах неизбежно связано с потерей информации о других величинах. Скажем, при точном измерении скорости нельзя определить координаты частицы и т.п. Для классической науки это было бы абсурдом. По существу, принцип соотношения неопределенностей показал, что невозможно наблюдать микрообъекты, не нарушая их состояние, следовательно, невозможно знание объекта безотносительно к субъекту и средствам наблюдения, к системе описания. В данном случае познания имеется два типа приборов: в одних объекты исследования способны проявить волновые свойства; в других – корпускулярные. Кроме того, в экспериментах наблюдается реальность не сама по себе, а ее проявление в приборе, которое включает в себя и результаты взаимодействия с прибором. Н.Бор, исходя из этой ситуации, сформулировал «принцип дополнительности» и объяснил его влиянием макроприбора на состояние микрообъекта, т.е. роль измерительного прибора заключается в некотором «приготовлении» состояния изучаемой микросистемы событий. Для микрообъектов, существенным и соразмерным является квант действия, заданный постоянной Планка (h), но из-за малой величины, она не имеет значения для описания макрообъектов. Таким образом, современная наука при исследовании микрообъектов с помощью макросредства должна «сопрягать», т.е. искать пути взаимодополняющего описания, построенного, с одной стороны, на знаниях в микроявлениях, а с другой – относящимся к характеристикам макрообъектов.

Дальнейшее познание микромира было связано с выходом на уровень элементарных частиц, т.е. более глубокий, чем атомно-молекулярный уровень. Первым был открыт электрон, а затем фотон, протон, позитрон, нейтрон и т.д. К концу ХХ в. открыто более 300 элементарных частиц. Часть из них открыты в эксперименте, другие вычислены теоретически. Современная наука не сомневается в сложной природе элементарных частиц. Они имеют структуру, многообразные свойства, изменчивы, но термин, исторически сложившийся сохраняется. Во всем составе характеристик элементарных частиц, существенными считаются: время жизни, масса, заряд и его квантовое число.

Все элементарные частицы способны рождаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Некоторые частицы способны к стабильному существованию, могут существовать в свободном или слабо связанном состоянии. Сюда относятся электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного рода нейтрино. Остальные частицы нестабильны и в свободном состоянии не существуют. Так электрон может существовать более 5·10²¹ лет, протон более 5·10³¹ лет, в то же время нейтрон может существовать 15,3 мин. Многие элементарные частицы существуют от 10^-22 до 10^-24 сек. За это время они не могут покинуть пределы атома или его ядра. Поэтому зафиксировать их экспериментально не удается, их называю резонансными частицами.

Масса частицы рассчитывается через отношение к массе покоя электрона. Некоторые частицы массы покоя не имеют. Остальные делятся на три группы: легкие частицы – лептоны, средние - мезоны, и тяжелые - барионы. Различие масс элементарных частиц имеет тысячекратные значения.

Электрический заряд частицы обладает целой и кратной величиной =0; ±1; ±2, характеризуясь при этом как положительный, отрицательный или нейтральный (нулевой). Определяется заряд через отношение к заряду электрона, который берется за единицу и считается простейшим. Однако новые теоретические расчеты и косвенные электрические данные свидетельствуют о возможном физическом существовании принципиально новых элементарных частиц кварков, заряд которых должен быть дробным. В зависимости от этого различаются свойства кварков, которые условно различаются цветами «красный», «синий» и «желтый». Кроме того, различают кварки по «ароматам», которых известно 5. Однако, кварии не зарегистрированы в свободном состоянии, их «наблюдают» косвенно, внутри частиц и поэтому допускается, что они-то и выступают в роли «кирпичиков» микромира.

Кроме того, элементарные частицы обладают характеристикой, для которой почти нет аналогов в классической картине мира - спин (от англ. Spin – вращение). Это собственный момент количества движения микрочастицы. Он имеет дискретную, квантовую природу и не связан с движением частицы как целого. Измеряется он постоянной Планка «h» и может быть как целым (0, 1, 2…), так и полу целым – (1/2, 3/2 …). Физический смысл пока мало понятен.

Элементарные частицы существуют в системе сложных взаимодействий. Взаимодействие имеет обменный характер, в нем частицы возникают и исчезают, меняют свои свойства и характеристики, преобразовываются и переходят друг в друга. Взаимодействие – фундаментальное условие «жизнедеятельности» частиц. Различают четыре типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие примерно в 1000 раз сильнее электромагнитного, действует в радиусе 10^-13сек., что укладывается в размеры ядра атома, поэтому его часто называют «ядерной силой». Сильное взаимодействие связывает протон и нейтрон в ядре и эта пара образует нуклон.

Плотность вещества в ядре, благодаря сильному взаимодействию достигает 150·10⁶ г/см³,т.е. в ядре практически сосредоточена вся энергия атома. Поэтому расщепление ядра и высвобождает гигантское количество энергии, именно поэтому ядро очень устойчиво и его трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется между элементарными частицами, имеющими электрический заряд. Переносится оно через электромагнитное поле, с помощью фотонов. Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного. По силе оно занимает промежуточное положение между сильным и слабым взаимодействием. Оно осуществляется между ядрами и электронами, участвует в молекулярных связях и просто между частицами. К электромагнитным взаимодействиям, в конечном счете, сводятся силы упругости, трения, химическая связь. Оно приводит к излучению электромагнитных волн; играет основополагающую роль в химии и биологии, в электротехнике и т.д.

Слабое взаимодействие допускает участие всех элементарных частиц, и по силе стоит между электромагнитным и гравитационным взаимодействием, однако, существенно сильнее гравитационного. Действует оно на расстояниях порядка 10^-15 – 10^-22см, связано в основном с процессами распада элементарных частиц, благодаря чему, многие из них нестабильны и имеют минимальное время жизни.

Гравитационное взаимодействие универсальное и самое слабое из известных. Оно не оказывает явного влияния на поведение элементарных частиц, а по этому в теории о них не учитывается и пренебрегается как незначительная величина. Однако в теоретических расчетах при чрезвычайно малых расстояниях (при 10^{-33 см.) или при чрезвычайно больших массах и энергиях, гравитация приобретает значения сравнимые с остальными видами взаимодействий. Поэтому в космических масштабах гравитационное взаимодействие приобретает решающее значение, оно, например, может изменять свойства (метрику) пространства и времени. Переносится это взаимодействие с помощью гравитационных волн и фиксируется в расчетах как сила тяготения.}

Все виды взаимодействий объективно взаимосвязаны, хотя каждое из них имеет свою специфику. Все взаимодействия осуществляются во времени, распространяются в форме соответствующего поля. В настоящее время предпринимаются попытки разработать единую теорию поля, единое понятие суперсилы и, в конечном счете, свести все виды взаимодействий к единому фундаментальному взаимодействию. Однако эта задача имеет пока лишь теоретический смысл. В современной теории поля, оно понимается числом частиц, т.е. квантов поля. Низшее энергетическое состояние поля это случай когда есть вакуум. В вакуумном состоянии электромагнитное поле не возбуждено и не порождает фотоны. Вакуум не содержит обычных видов материи, однако, он не является абсолютной пустотой и при соответствующем возбуждении, возникают кванты, благодаря которым становится возможным электромагнитное взаимодействие. Кроме того, допускается, что в вакууме возможно присутствие гравитонов, квантов гравитационного поля. Природа поля такова, что оно, будучи совокупностью квантов – дискретно и вместе с тем непрерывно, континуально, что отражается волновой функцией.

Для полного понимания сущности поля необходимо решить вопрос к природе и структуре элементарных частиц. Однако, это принципиально иной вид материи и многое здесь остается непонятным. Так например, для материальных тел от атома до макротел больших масштабов, соотношение части и целого, элемента и системы это отношение простого к сложному: часть меньше, проще целого и т.п. Для элементарных частиц подобные соотношения невозможны. Результаты распада элементарных частиц могут быть не проще, чем исходная частица, т.е. продукты распада находятся на том же уровне в структурной организации материи. Почти каждая элементарная частица может стать «частью» другой элементарной частицы. На этом уровне материи структурное целое не обязательно будет больше, чем составляющие его «части». Так, например, из нейтрона при определенных условиях, могут возникнуть протон, электрон и нейтрино, однако исходная частица не более сложна, чем полученные из нее производные частицы. Таким образом, соотношение «целого» и «части», «простого» и «сложного» в мире элементарных частиц имеют совершенно иную логику чем в мире макрообъектов. Аналогичные «странности» обнаруживаются в энергетических процессах и характеристиках элементарных частиц. Для макротел характерно то, что их энергия складывается из двух составляющих: собственной энергии, эквивалентной массе и суммарной энергии связей элементов данного тела. Причем, собственная энергия значительно превышает энергию связей. Если энергия воздействия на связи выше, то объект распадается на элементы так, что они не теряют своей определенности. Молекулу можно разложить на атомы, сохранив их определенность.

Все иначе происходит на уровне элементарных частиц. Энергия связи и собственная энергия в них неразличимы. Поэтому они не могут распадаться на части, хотя и имеют внутреннюю структуру. Внутренняя структура элементарных частиц существует за счет непрерывного взаимопревращения, через возникновение и исчезновение виртуальных частиц. Причем виртуальные частицы вне элементарной частицы не существуют. Например, Виртуальные частицы нуклон и антинуклон, постоянно аннигилируя (от лат. annihilato – уничтожение) т.е. исчезая и возникая, создают, таким образом, частицу мезон. Не менее странно выглядит процесс рождения элементарных частиц из вакуума. Однако если вакуум через гравитационные и электромагнитные поля связан с процессами во Вселенной, то возможно эти «странности» микромира станут понятными если будет познан мегамир, его сущность и закономерности.

Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 31; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 33 34 35 36 373839 40 41 42 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!