Современная физическая картина мира

Скачать работу - Современная физическая картина мира

Начался процесс объединения и познания мира как единое целое. В последствии образовалась наука философия, из которой вытекли все известные науки. В философии, или в одном из её направление естествознание, с XVII в. начинают играть существенную роль философско-методологические принципы, позволяющие на определенном этапе развития знаний начать строить сравнительно цельные научные картины мироздания; закладывать основы идеи бесконечного приближения к объективной истине на основе механического объяснения природы. В первую очередь, это связано с такими именами как Коперник, Кеплер и Галилей.

Галилей провозгласил главенствующую роль причинного объяснения природы, включая подчинение принципу причинности самой науки, и утверждал абсолютную объективность научной истины. Он подошел к анализу природных явлений как наблюдатель, отбросивший традиционные воззрения, что послужило формированию определенного стиля научного мышления.

Галилей показал, как можно конкретизировать философские идеи в их методологическом качестве применительно к физическому познанию.

Принцип относительности, сформулированный Галилеем, в этом отношении является одним из реализованных методологических идеалов, положенных в дальнейшем в основание первой научной физической картины мира – механистической. По праву его можно назвать основателем собственно научной методологии конкретного уровня. Вслед за М.В.Мостепаненко, мы будем понимать под физической картиной мира “идеальную модель природы, включающую в себя наиболее общие понятия, принципы и гипотезы физики и характеризующую определенный исторический этап ее развития”. Данная формулировка предполагает определенный синтез физических знаний, не претендуя при этом на реализацию идеала единой физической теории, сформулированной в рамках этой модели.

Объяснение (толкование) явлений, предсказанных и описанных физической теорией, проводится, как правило, в рамках существующей модели реальности Революционная ситуация, сложившаяся в естествознании в начале XXв., связана с появлением двух новых теоретических концепций – квантовой механики и специальной теории относительности. Как это часто бывает, в начальный период формирования принципиально новой теоретической концепции, первыми носителями методологии являются сами создатели. 1.1 Создание специальной теории относительности В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фунда ментальная теория — специальная теория относительности (СТО) с озданная усилиями ряда ученых, прежде всего А. Эйнштейном, она позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамки классических представлений. В первую очередь это касалось закономерностей электромагнитных явлений в движущихся телах.

Создание теории электромагнитного поля и экспериментальное доказательство его реальности поставили перед физиками задачу выяснить, распространяется ли принцип относительности движения , справедливый для механи ческих явлений, на явления, присущие электромагнитному полю. Во всех инерциальных системах (т.е. движущихся прямолинейно и рав номерно друг по отношению к другу) применимы одни и те же законы механики. Но справедлив ли принцип для немеханических явле ний, особенно тех, которые представлены полевой формой материи в частности электромагнитных явлений? Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в 19в. показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется. Все эти противоречия привели к тому, что на рубежу Х I Х— XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики: 1.)скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, неза висимо от движения источника или приемника света; 2.)в двух системах координат, движущихся прямолинейно и рав номерно друг относительно друга, все законы природы строго одина ковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности); 3.)координаты и скорости преобразовываются из одной инерци альной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея. Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы.

Долгое время усилия физиков были направлены на то, чтобы попытаться каким-либо образом изменить первые два положения, оставив неизменным третье как само собой разумеющееся.

Внутренней логикой своего развития физика подводилась к необходимости найти нестандартный путь в разрешении этого фундаментального противоречия. В сентябре 1905 г . в немецком журнале появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которая объясн яла и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл преобраз ований Лоренца и, кроме того, содержала новый взгляд на пространство и время.

Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий в пр инципиальных основах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимо сохранить два первых утверждения , отказаться от преобразований Галилея. И дело не просто в том, чтобы чисто формально заменить их другим преобразованием. Эйн штейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроется определ енное представление о пространственно-временных соотношениях , которое не соответствует физическому опыту, реальным свойствам пространства и времени.

Слабым звеном принципиальных оснований классической механики оказалось представление об абсолют ной одновременности событий.

Классическая механика пользова лась им, не сознавая его сложной природы. До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел», в кот орой впервые были изложены основы теории относительности, Эйнштейн около 10 лет размышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т.е. к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны . Кроме того, Эйнштейн был убежден в инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще в 1896 г . у него « возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!». Таким образом, Эйнштейн, по-видимо му еще в молодости пришел к принципу, согласно которому скорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальных системах.

Одновременное действие этих двух принципов кажется невоз можным.

Налицо теоретический парадокс. Из данного парадокса Эйнштейн находит выход, анализируя понятие одновременности.

Анализ подводит его к выводу об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключа ется суть всей теории относительности, выводы которой, в очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий простран ства и времени — основополагающих понятий всего естествознания. В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках про странства.

Эйнштейн убедительно показал неверность такого пред ставления. Он начинает с анализа вопроса, каким образом можно установить одновременность двух событий, происходящих в разных точках пространства. Для этого, делает он вывод, нужно иметь в этих точках часы, причем эти часы должны быть одинаково наст роены и идти синхронно. Но как узнать, что двое часов, помещен ных в различных местах пространства, идут синхронно; или, то же самое, как узнать, что два события в различных точках про странства, скажем на Земле и на Луне, происходят одновременно. Для достижения синхронности, можно воспользоваться световыми сигналами. Из нового понимания одновременности, осознания его относител ьности следуют совершенно революционные выводы о закономерно стях пространственно-временных отношений вещей.

Прежде кто необходимость признания относительности размеров тел. Что бы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно.

Однако то, что одновременно для неподвижного и в наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть разли чна. На следующем этапе становления специальной теории относительности этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразован ия координат и времени — преобразования Лоренца. Но у Эйнштейна эти преобразования имеют иной смысл: одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью , относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же самое отн осится и ко времени.

Промежуток времени, в течение которого длит ся какой-либо процесс, различен, если измерять его движущимся с различной скоростью часами. В специальной теории относительно сти размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характе р, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсчё та, с помощью которой проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные вели чины, например, скорость, траектория и т.н. Таким образом, Эйнш тейн делает вывод о необходимости изменения пространственновременных представлений, выработанных классической физикой. Кроме формул преобразований координат и времени, Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, пока зывает, что масса тела также является относительной величиной зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении Е = тс 2 . Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения.

Описание физичес ких процессов в СТО существенно связано с выбором системы коорд инат.

Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средства ми исследования.

Обращая на это внимание, Эйнштейн в уже упомя нутой статье «К электродинамике движущихся тел» пишет: « Сужде ния всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процес сами». В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физи ческого процесса самого по себе, можно только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер процесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимо действие субъекта и объекта познания. 1.2 Создание и развитие общей теории относительности Классическая механика и СТО формулируют закономерности физи ческих явлений только для некоторого достаточно узкого класса инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем.

Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемой применительно к принципу относительности: «Можем ли мы сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всех систем координат, не только для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу? Если это можно сделать, то... тогда мы будем в состоянии применять законы природы в любой системе координат». Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения — распространения принципа относительности не только на скорость, но и на ускорен ие движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характе р не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделеннос ть класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так сформулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности . Но тогда возникал вопрос, а что же такое масса тела в системе? Существует два различных и независимых способа определения Массы тела: 1) через ускорение, которое вызывает любая действующий на тело сила (инертная масса); 2) через притяжение в поле тяготения(гравитационная масса — вес тела). Независимость инертной и гравитационной масс и их эквивалентность была известна в классической механике и выражалась через закон пропорциональности веса и массы Р/ m = g. В 1890 г. венгерский физик Л. Этвеш подтвердил факт эквивалентности инертной и гравитационной масс с высокой точностью (до 10-9, сейчас эта точность повышена до 10-12). После открытия зависимости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты) вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тела и состояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Нужно было разобраться в вопросе, изменяются ли гравитационные свойства тел, если их инерционные свойства зависят от состояния движения.

Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем тяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможным распространить на оптические и вообще любые физические явления. Этот расширенный принцип эквивалентности и был положен им в осно ву общей теории относительности.

Построение ОТО он завершил в 1916 г. При этом он использовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий.

Мысленные эксперименты убедительно показывали, что релятивистская физика не может основываться на евклидовой геометрии и А. Эйнштейн вводит представление о том, что метрика пространства -времени обусловлена гравитационным полем, которое в свою оче редь создано вещественными образованиями: «Наш мир неевклидов . Геометрическая природа его образована массами и их скоростями». Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометричес кие свойства нашего мира». Эйнштейн исходил из того, что прост ранственно-временной континуум носит риманов характер. А мановым (в узком смысле) называется пространство постоянной положи тельной кривизны. Его наглядный образ — поверхность обычной сферы. Это значит, что движение частицы в гравитационном поле определяется кратчайшей мировой линией, которая не является прямой, но тем не менее является кратчайшей. С точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой) кривизной.

Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. Можно сказать больше: поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального простран ства от свойств идеального евклидова пространства.

Величина пространства тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. Таким образом, движение материальной точки в поле тяготения можно рассматривать как свободное «инерц иальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в простран стве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства.

Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искри вленного пространства. В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн усиленно зани мался поисками «единой теории поля», которая бы объединила тео рию тяготения и теорию электромагнитного поля. С точки зрения Эйнштейна, реализация этой задачи позволила бы свойства вещества вывести из представлений о свойствах поля, рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно, и объяснить существование элементарных частиц.

Однако несмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство, ему не удалось этого достигнуть. К середине XX в. стало ясно, что работа в этом направлении должна осуществляться с учетом существования не двух (гравитационное и электромагнитное), а четырех типов фундамен тальных взаимодействий. 1.3 Экспериментальная проверка общей теории относительности Теория, которая не верна на практике, ставит себя под большое сомнение! Поэтому и новая теория общей теории относительности должна была 100% подтвердить себя на практике.

Первый успех ОТО, которая стала фундаментом для выявления новых и объяснения известных общих свойств и закономерностей Вселенной, заключался в объяснении открытой еще в 1859 г . (и непонятной с точки зрения классической теории) дополнительной скорости движения перигелия Меркурия (около 43' в столетие) под влиянием гравитационного поля Солнца.

Прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванным гравитационным воздействием Солнца . Большое значение для широкого признания ОТО имели опыты по измерению отклонения лучей света, проходящих около Солнца.

Первая немецкая экспедиция по проверке данного эффекта была направлена уже в 1914 г . на территорию России, но в связи с началом Первой мировой войны была интернирована.

Затмение 29 мая 1919 г . представляло собой особенно благоприятный случай, когда в не наблюдений оказывалось большое число ярких звезд, и потому в Великобритании под руководством А. Эддингтона были сформированы две экспедиции: одна направилась в Бразилию (Собрал), а другая — на один из островов, расположенных возле африканского мате рика (Принсипи). Как отмечалось в отчете, «результаты экспедиций в Собрал и на Принсипи оставляют мало сомнения в том, что луч света отклоняется вблизи Солнца и что отклонение, если приписать его действию гравитационного поля Солнца, по величине соответствует требованиям общей теории относительности Эйнштейна». Проведенные в 1922 г . новые измерения также подтвердили существова ние эффекта, предсказанного теорией Эйнштейна.

Другой результат, полученный в теории Эйнштейна, — наличие красного смещения в спектрах небесных тел — был подтвержден ря дом опытов 1923—1926 гг. при наблюдении спектров Солнца и обладающего чрезвычайно большим полем тяготения спутника Сири уса.. Долгое время экспериментальных подтверждений ОТО было мало: изменения орбиты Меркурия, красное смещение в спектрах звёзд, искривление лучей света вблизи Солнца, обусловленное кривиз ной, пространства.

Согласие теории с опытом достаточно хорошее, но чистота экспериментов нарушается различными сложными п обочными влияниями.

Однако влияние искривления пространства-в ремени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных п олях. Очень чувствительные часы, например, могут обнаружить замедление времени на поверхности Земли. Чтобы расширить экспе риментальную базу ОТО, во второй половине XX в. были поставлены новые эксперименты: проверялась эквивалентность инертной и гра витационной масс (в том числе и путем лазерной локации Луны); с помощью радиолокации уточнялось движение перигелия Меркурия; измерялось гравитационное отклонение радиоволн Солнцем, прово дилась радиолокация планет Солнечной системы; оценивалось влия ние гравитационного поля Солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые отправлялись к дальним планетам Солнечной системы, и т.д. Все они, так или иначе, подтвердили предсказания, полученные на основе ОТО. 1.4 Современное состояние теории гравитации и её роль в физике В физике XX в. ОТО сыграла особую и своеобразную роль. Во-первых, она представляет собой новую теорию тяготения хотя, возможно, и не вполне завершена и не лишена некоторых недо статков.

Трудность состоит в том, что гравитация — это вид энерги и поэтому она сама является собственным источником энергии; гра витация как физическое поле сама обладает (как, например и электромагнетизм) энергией и импульсом, а значит, и массой. следо вательно, уравнения теории нелинейны, т.е. нельзя просто сложить известные решения для простых систем, чтобы получилось полное решение для сложной системы. С этим связаны, например, трудности в интерпретации содержания тензора энергии — импульса.

Матема тический аппарат теории настолько сложен, что почти все задачи кроме самых простейших, оказываются неразрешимыми. Из-за та ких трудностей (возможно, они скорее технического характера, но может быть и принципиального) ученые до сих пор — спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, — все еще пытаются разобраться в ее смысле. Во - вторых, на основе ОТО были развиты два фундаментальных направления современной физики: геометризированные единые теории поля; релятивистская космология.

Успешная геометризация гравитации заставила многих физиков задуматься над вопросом о сущности физики в ее отношении с геометр ией. Здесь сложились две противоположные точки зрения: I ) поля и частицы непосредственно не определяют характер пространственно-временного континуума. Он сам служит лишь ареной проявления. Поля и частицы чужды геометрии мира и их надо добав ить к геометрии, чтобы вообще можно было говорить о какой либо физике; 2) в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства . Материя, заряд, электромагнетизм и другие поля являются лишь проявлением искривленного пространства.

Физика есть геометрия . ОТО оказалась переходной теорией между первым и вторым подходами . В ОТО представлен смешанный тип описания реальности: гравита ция в ней геометризирована, а частицы и поля, отличные от гравитации, добавляются к геометрии.

Многие ученые (в том числе и сам Эйнштейн) предпринимали попытки объединить электромагнитное и гравитационное поля в рам ках достаточно общего геометрического формализма на базе ОТО. С открытием разнообразных элементарных частиц и соответств ующих им полей естественно встала проблема включения и их в рамки подобной единой теории. Это положило начало длительному пр оцессу поисков геометризированной единой теории поля, которая , по замыслу, должна реализовать второй подход — сведение физики к геометрии, создание геометродинамики.

Анализ показывает, что там, где проявляются изменения топологической структуры мира, топологии пространственно-временного конт инуума, там фиксируется кажущееся изменение фундаментальных законов природы. Так, происходит кажущееся нарушение причиннос ти, когда при падении в «черную дыру» исчезают элементарные частицы.

Поэтому изучение пространства и поиск единой теории поля имеет глобальное значение. 2.1 Возникновение и развитие квантовой физики Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г . П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружающей среды.

Развитие спектроско пии в XIX в. привело к тому, что при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории. Г. Кирхгоф в 1860 г . сформулировал новый закон, который гласит что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способ ностей для всех тел одинаково.

Другими словами, если E T и A T – соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящие от длины волны и температуры T , то где ( , T ) – некоторая универсальная функция и T , одинаковая для всех тел.

Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. При определении вида универсальной функции естествен но было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры, однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху. Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения классических представлений: при термодинамическом равновесии между колеблю щимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти энергия сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классиче ской теории практически вся энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю. 1900 г . на заседании Берлинского физического общества М. Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но её физический смысл был не вполне понятен.

Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить , что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями — квантами (е). Это вело к признанию наравне с ато мизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представле ний классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в разв итии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики. С ущественно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г . Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинност и этой идеи. В 1909 г . Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами.

Становилось все более очевидно , что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. В 1912 г . А.Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и клас сической механики.

Требовались новые понятия, новые представле ния и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже — вместе с создани ем и развитием квантовой механики. 2.2 Создание нерелятивсткой квантовой механики Такие новые, представления и принципы были созданы плеядой выдающихся физиков XX в. в 1925—1927 гг. В. Гейзенберг установил основы так называемой матричной механики; Л. де Бройль, а за ним Э. Шредингер разработали волновую механику.

Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика — различные формы единой теории, получившей название квантовой механики. В 1926 г . Гейзенберг впервые высказал основные положения квантовой механики в матричной форме.

Теория атомных явлений, по Гейзенберг у, должна ограничиваться установлением соотношений межд у величинами, которые непосредственно измеряются в эксперимент альных исследованиях («наблюдаемыми» величинами, в терминол огии Гейзенберга) — частотой излучения спектральных линий, их инте нсивностью, поляризацией и т.п. «Ненаблюдаемые» величины, такие, как координаты электрона, его скорость, траектория, по которой он движется, и т.д., не следует использовать в теории атома.

Однако в согласии с принципом соответствия новая теория должна определенным образом соответствовать классическим теориям, соотношения величин новой теории должны быть аналогичными о тношениям классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и пользуясь классическими соотношениями, составить соответствую щие им соотношения между найденными квантовыми величинами . Такие соответствия могут быть получены только из операций изм ерения.

Анализируя закономерности измерения величин в квантовой метке, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозможности одновременного точного измерения двух канонически сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенностей. Этот принцип является основой физической интерпретации квантовой механики.

Второе направление в создании квантовой механики сначала развив алось в работах Л. де Бройля. Он высказал идею о волновой природе материальных частиц. На основании уже установленного факта одновременно и корпускулярной, и волновой природы света, а также оптико-механической аналогии де Бройль пришел к идее о существован ии волновых свойств любых частиц материи. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, свя занных с материальными частицами, не обратили серьезного вниман ия. Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с «удивлением, к которому, несомненно, примешива ть какая-то доля скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля.

Особенно сильное влияние идеи де Бройля оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в них основу для создания новой теории квантовых процессов. В 1926 г . Шрёдингер, развивая идеи Бройля, построил так называемую волновую механику. В квантовой механике разница между полем и сис темой частиц исчезает. Так, например, электрон, вращающийся во круг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электрона, волны складываются и образуют боровские разрешенные орбиты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн ком пенсируют впадины, там орбиты не будут разрешены.

Волновая механика получила прямое экспериментальное под тверждение в 1927 г ., когда К.Дж.

Дэвиссон и П. Джермер обнаружили явление дифракции электронов. Кроме того, выяснилось, что правильно и количественное соотношение для длин волн де Бройля.

Квантовая механика — теоретическая основа современной химии. С помощью квантовой теории удалось построить также совершенные теории твердого тела, электрической проводимости термоэлектрических явлений и т.д. Она дала основания для построения теории радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики. 2.3 Проблема интерпретации квантовой механики.

Принцип дополнительности Созданный группой физиков в 1925—1927 гг. формальный математически й аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественному охвату значительно го эмпирического материала. Не оставалось сомнений, что кванто вая механика пригодна для описания определенного круга явлений . Вместе с тем исключительная абстрактность квантово-механических формализмов, значительные отличия от классической механики, замена кинематических и динамических переменных абстра ктными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятия электронной орбиты, необходимость интерпретации формализмов и др., рождали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения.

Возникла дискуссия о том, каким путем это нужно делать. А. Эйнштейн и ря д физиков считали, что квантово-механическое описание физи ческой реальности существенно неполно. Иначе говоря, созданная теория не является фундаментальной теорией, а лишь промежуто чной ступенью по отношению к ней, поэтому ее необходимо допол нить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. до рабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами. Разра ботка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжа лась вплоть до конца 40-х гг.

Завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начав шейся в конце XIX в.

Основной отличительной особенностью экспериментальных ис следований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измеряемым устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представ ления. В одном типе измерительных приборов (дифракционная ре шетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределённ ого в пространстве, будь то световое поле или поле, которое описы вается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти же микроявления выступают как частицы, как материальные точки.

Причина корпускулярно-волнового дуализма, по Бору в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и при бором в квантовой физике выдвигает две задачи: 1)каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе; 2) каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта.

Первая задача разрешается введением требования описывать поведе ние прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое поведение микрочастиц — на языке квантово-механических формализмов.

Вторая задача разрешается с помощью принци па дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга . При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, в другом случае — простран ственно-временное.

Единая картина объекта синтезирует эти два описания. 2.4 Методологические установки неклассической физики Создание релятивистской, а затем и квантовой физики привело к необходимости пересмотра методологических установок классической физики.

Представим в систематическом виде методологические устан овки неклассической физики: Признание объективного существования физического мира , т.е. его существования до и независимо от человека и его сознания. В отличие от классической физики, которая рассматривала мир физических элементов как качественно однородное обра зование, современная физика приходит к выводу о наличии трех качественно различающихся структурных уровней мира физических элементов: микро-, макрои мегауровней.

Явления микромира, микропроцессы обладают чертами це лостности, необратимости и неделимости, которые приводят к качественному изменению представлений о характере взаимосвязи объекта и экспериментальных средств исследования.

Причинность как один из элементов всеобщей связи и взаимо обусловленности вещей, явлений, событий материального мира присуща и микропроцессам. Но характер причинной связи в микромире отличен от механистического детерминиз ма. В области микроявлений причинность реализуется через многообразие случайностей, поэтому микропроцессам свойствен ны не динамические , а статистические закономерности . Микроявления принципиально познаваемы.

Получение пол ного и непротиворечивого описания поведения микрочастиц требует выработки нового способа познания и новых методо логических установок познания.

Основа познания — эксперимент, непосредственное матери альное взаимодействие между средствами исследования субъ екта и объектом. Так же, как и в классической физике, исследо ватель свободен в выборе условий эксперимента.

Кардинальные изменения в методологии неклассической физики по сравнению с классической связаны с зависимостью описания поведения физических объектов от условий познания. В релятивистской физике — это учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света в вакууме. В квантовой физике — фундаментальная роль взаимодействия между мик рообъектом и измерительным устройством, прибором.

Неклас сическая физика характеризуется, по сути, изменением познаватель ного отношения субъекта и объекта. В квантовой физике оно фик сируется принципом дополнительности. Если в классической физике все свойства объекта могут определиться одновременно, то уже в квантовой физике существу ют принципиальные ограничения, выражаемые принципом неопределенности.

Неклассические способы описания позволяют получать объек тивное описание природы. Не объективность знания не должна отождествляться с наглядностью.

Создание механической наглядной модели вовсе не синоним адекватного физического объяснения исследуемого явления.

Физическая теория должна содержать в себе не только средства для описания поведения познаваемых объектов, но и средства для описания условий познания, включая процедуры исследования. В неклассической физике, как и в классической, игнорируется атомная структура экспериментальных устройств.

Структура процесса познания не является неизменной.

Качественному многообразию природы должно соответствовать многообразие способов ее познания. На основе неклассических способов познания (релятивистского и квантового) со вре менем должны сформироваться другие новые способы познания . Во второй половине XX в. основное внимание физиков обращено на создание теорий, раскрывающих с позиций квантово-релятиви стских представлений сущность и основания единства четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, «сильного » - «слабого» и гравитационного. Эта задача одновременно является зад ачей создания единой теории элементарных частиц (теории стр уктуры материи). В последние десятилетия созданы и получили эмпи рическое обоснование квантовая электродинамика, теория электро слабого взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория силь ного взаимодействия), есть перспективы на создание единой тео рии электромагнитного, «слабого» и «сильного» взаимодействий.

Физики ожидают, что в отдаленной перспективе к ним должно быть при соединено и гравитационное взаимодействие. Таким образом, естество знание в настоящее время находится на пути к реализации великой цели — созданию единой теории структуры материи. 3. Фундаментальные физические взаимодействия В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством с множеством сил действующих на тела: сила ветра или потока воды, давление воздуха, мускульная сила человека, вес предметов, давление квантов света, притяжение и отта лкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающ ие подчас катастрофические разрушения и т.д.. Одни силы действую т непосредственно при контакте с телом, другие, например гравита ция, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выясни лось в результате развития естествознания, несмотря на столь больш ое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к чет ырем фундаментальным взаимодействиям.

Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они явля ются источником всех материальных преобразований тел, процесс ов.

Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.

Изучение сво йств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу со временной физики. 3.1 Гравитация Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования.

Созданная в XVII в.

Ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позво лила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от други х фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенно стью гравитации является ее малая интенсивность.

Гравитационное взаимодействие в 10 39 раз меньше силы взаимодействия электри ческих зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации — в ее универсально сти. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации.

Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Грав итация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но резу льтирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощ ущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна.

Никакие кван товые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению. Кроме того, гравитация — далъподействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодейст вия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астро номическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль.

Благодаря дальнодействию гравитация позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда со ставляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы.

Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось. Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является грави тация — неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции.

Поэтому нет и завершенной теории квантово-грави тационного взаимодействия. 3.2 Электромагнетизм По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодейст вия электрические силы, действующие между телами обычных размеров , можно легко наблюдать.

Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Не все материалы частицы являются носителями электрического заряда.

Электричес ки нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравита ционное поле, тогда как с электромагнитнымполем связаны только, заря женные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и элект рические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а ра зноименные — притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только пара ми — северный полюс и южный.

Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой — как южный.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются недействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника.

Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную сис тему; существуют и галактические электромагнитные поля, электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др. 3.3 Слабое взаимодействие К выявлению существования слабого взаимодействия физика продви галась медленно.

Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому к его проявлением столкнулись с открытием ра диоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особеннос ть.

Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как буд то нарушается один из фундаментальных законов физики — закон со хранения энергии.

Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой не достающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и облада ет необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино». Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, её постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо, дока зано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существу ют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра.

Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые.

Анализ приводит к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, может, порождался какой-то иной, неизвестной силой.

Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимо действие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно сущес твует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие рас пространяется на очень незначительных расстояниях.

Радиус слабого взаимодействия очень мал.

Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10 16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное от крытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружи лось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С мо мента построения Максвеллом теории электромагнитного поля со здание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 3.4 Сильное взаимодействие Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаи модействие, которое является источником огромной энергии, более характерный пример энергии, высвобождаемой сильным вза имодействием, — Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно: про текают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодейст вием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила долж на удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкива ния.

Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевид но, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное.

Впоследствии оно было обнаружено.

Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно п ревосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за п ределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодей ствия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом разме рами ядра, т.е. примерно 10 13 см. Кроме того, выяснилось, что сил ьное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не под властны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаим одействия элементарных частиц. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях чё тко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкоде йствующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывает ся в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого — близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной. 4.1 Элементарные частицы Элементарные частицы играю огромную роль в общем понимании физической картины мира.

Представления об элементарных частицах задаёт материю.

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. При таком подходе вещество строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними.

Однако скоро выяснилось, что мир устроен гораздо сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от неё лишь знаком заряда. Для частиц с нулевым зарядом античастица совпадает с частицей(например фотон). По мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось ещё свыше 300 частиц! Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни, магнитный момент, пространственная чётность, лептонный заряд, барионный заряд и т.д.. Лептоны Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен ½. Среди лептонов наиболее известен электрон.

Другой хорошо известный лептон-нейтрино.

Нейтрино являются наиболее распространёнными частицами во Вселенной.

Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но, несмотря на такую распространённость нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти не уловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещества, как будто его вообще нет.

Нейтрино – это некие “ призраки ” физического мира.

Адроны Разновидностей адронов около сотни. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны-не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях-электрически заряженные и нейтральные.

Наиболее известные и широко распространённые такие адроны как нейтрон и протон.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях.

Открытие множества разнообразных адронов поставило физиков в тупик, но со временем их удалось классифицировать по спину, заряду и массе. 4.2 Теории элементарных частиц Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т.е. применяется ли шь для описания систем с неизменным числом частиц.

Обобщение квантовой механики является квантовая теория ноля — это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей ), учитывающая требования и квантовой механики, и тео рии относительности.

Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляют ся операторами, которые связывают с актами рождения и уничтоже ния квантов поля, т.е. частиц. В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимо действия — квантовая электродинамика (КЭД). Это продуманна мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия между собой заряженных элементарных частиц (прежде всего, электронов или позитронов) посредс твом обмена фотонами. В КЭД для описания электромагнит взаимодействия использовано понятие виртуального фотона, теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории так и теории относительности. В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронной позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары. Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его кван тами энергии.

Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а элек троны движутся в пространстве не по вполне определенным траекто риям. Еще можно тем или иным способом определить начальную конечную точки пути — до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика в КЭД привело к расширению понятия фотона.

Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (призрачного) фотона, который «видят» только заряженные частицы претерпевающие рассеяние. За создание КЭД С. Томанага, Р. Фейнман и Дж.

Швинбыли удостоены Нобелевской премии за 1965 г . Большой вклад в становление КЭД был внесен и нашим выдающимся физиком-теоретиком Л.Д. Ландау. После подобного триумфа КЭД была принята как модель для кванто вого описания трех других фундаментальных взаимодействий.

Разумеется , полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики. 4.3 Теория кварков Теория кварков — это теория строения адронов.

Основная идея этой тео рии очень проста: все адроны построены из более мелких частиц —кварков.

Кварки несут дробный электрический заряд, который доставляет либо -1/3, либо +2/3 заряда электрона.

Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или ед инице. Все кварки имеют спин -, следовательно, относятся к ферм ионам.

Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, ч тобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта кварков: u (от слова up ), d (от down -нижний), s (от strange -странный). Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк – антикварк. Из трёх кварков состоят сравнительно тяжёлые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более лёгкие пары кварк – антикварк образуют частицы, получившие название мезоны.

Например, протон состоит из двух “ u ” и одного “ d ” кварка ( uud ), а нейтрон – из двух “ d ” и одного “ u ” кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”. Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием.

Переносчики сильного взаимодействия – глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий.

Модели, единым образом описывающие как бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения.

Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации. В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами – точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц на конец XX в. равно 48. Из них : лептонов (6*2)=12 плюс кварков (6*3)*2=36. 4.4 Теория электрослабого взаимодействия В 70-е годы XX века в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырёх физики объединили в одно.

Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась.

Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, предстали как разновидности единого электрослабого взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия в окончательной форме была создана двумя независимо работавшими физиками - С.Вайнбергом и А.Саламом.

Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце XX в.. Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины XX века – это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? Ведь, на первый взгляд, утверждение о существовании подобной взаимосвязи кажется весьма парадоксальным.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии.

Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и органами чувств непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчёта уровня, масштаба или значения некоторой физической величины.

Система обладает калибровочной симметрией, если её природа остаётся неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение – от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин.

Симметрии, на которых основан пересмотр понимания фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного. Ведь и сам механизм слабого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона ,например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайне мере четырёх различных типов (нейтрон, протон, электрон, нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению природы (превращение одних частиц в другие за счёт слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нём частиц.

Почему же электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами? Теория Вайнберга – Салама объясняет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине.

Нарушение симметрии влечёт за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия.

Наиболее убедительная экспериментальная проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W -частиц и Z -частиц. Их открытие в 1983г. стало возможным только с созданием очень мощных ускорителей новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга – Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия. В 1979г.

Вайнбергу С., Саламу А., Глэшоу С. была присуждена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимодействия.

Заключение Физики всегда стремились объединить знания различных явлений и свести все явления, взаимодействия природы к одному. В 70—90-е гг. было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действите льности представляют собой лишь две стороны Великого единого вз аимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быт ь достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии , содержащиеся и в квантовой хромодинамике, и в теории эле ктрослабого взаимодействия.

Отыскание такой симметрии — _главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослаб ого взаимодействия.

Существуют разные подходы, порождающие конкурирующие варианты теорий Великого объединения. Тем не менее, все эти гипотетические варианты Великого объединен ия имеют ряд общих особенностей. Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны — носители сильного и электрослабого взаимодействий — включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты. Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрии приводит к отк рытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, напр имер способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращ ения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля.

Двенад цать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W -частицы, Z -частица и восемь глюонов.

Остальные двенадцать квантов — новы сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У-частицы (обладающие цветом и электрическим зарядом). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами.

Следовательно, Хи У-частицы могут превращать кварки в лептоны (и наоборот). На основе теорий Великого объединения предсказаны, по крайней мере, две важные закономерности, которые могут быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существования маг нитных монополей.

Экспериментальное обнаружение распада про тона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний на правлены усилия экспериментаторов.

Обнаружение распада прото на было бы самым великим экспериментом XX в.! Но пока еще твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. А о прямом экспериментальном обнаружении Хи У-бозонов пока и вовсе не идет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 10 14 ГэВ. Это очень высокая энергия.

Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях.

Современные ускорители с трудом дости гают энергии 100 ГэВ. И потому основной областью применения проверки теорий Великого объединения является космология , этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселен ной, когда температура первичной плазмы достигала 10 27 К. в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые бозоны Х и У. Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодейст вий — это еще не единая теория в подлинном смысле слова, остается еще гравитация.

Теоретические модели, в которых объединяю тся все четыре взаимодействия, называются супергравитацией . Электричество Магнетизм Слабое взаимодействие Сильное взаимодействие Гравитация рис.1 На рисунке №1 изображена схема процесса объединения фундаментальных взаимодействий . Идея объединения началась с синтеза электричества и магнетизма в рамках теории Максвелла в XIX в.

Объединение слабого и электромагн итного взаимодействий получило надежное подтверждение в 1983г. благодаря открытию W и Z -частиц.

Данных, подтверждающих Велик ое объединение, пока нет, но их ожидают. Число теоретических предпосылок для создания единой теории всех фундаментальных взаимодействий быстро растет.

оценка объектов нематериальных активов в Твери
оценка авторских прав в Орле
оценка квартиры для наследства в Брянске