Дайте понятие микро и макромира физика кратко

Обновлено: 05.07.2024

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Что понимают под Вселенной? Что такое макромир, наномир, микромир и мегамир и каковы их масштабы? С помощью каких средств изучаются различные объекты Вселенной? Чем ограничены наши возможности при изучении объектов Вселенной? Как знания о различных объектах Вселенной могут быть наглядно представлены?

Глоссарий по теме:

Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

Масштаб – отношение двух линейных размеров. Отношение натуральной величины объекта к величине его изображения.

Мегамир (от греч. μέγας – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет (звезды, черные дыры, звездные скопления, галактики, скопления галактик).

Макромир (от греч. μάκρος – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с масштабами жизни на Земле (доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств).

Микромир (от греч. μικρός – малый) – структурная область Вселенной, объекты которой имеют размеры порядка 10 -8 м и меньше (молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы).

Наномир (от греч. μικρός – карлик) – пограничная область микромира, особые структуры которого характеризуются размерами объектов порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м), что соответствует размерам молекул и атомов.

Световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год (9,46∙10 12 км).

Астрономическая единица (а.е.) – расстояние, равное среднему расстоянию Земли от Солнца (149,6 млн. км).

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 44-49.

2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 102-103, 126, 212-216, 234-235, 274-279.

3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 267-270.

4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 209-211.

Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии)

Новая философская энциклопедия. Вселенная. URL:

Физический энциклопедический словарь. Космология. URL:

Химия и жизнь. – 2017. – №5. URL:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Наука изучает самые разные объекты материального мира: от звезд, удаленных от нас на десятки световых лет, до атомов, размеры которых составляют сто миллионные доли сантиметра. Как же можно систематизировать знания о столь разных объектах природы?

Окружающий нас материальный мир очень разный, его объекты могут очень сильно отличаться по своим пространственно-временным характеристикам. Доступные нашим органам чувств объекты принято называть макромиром, например, Земля и ее окрестности, человек, животные, растения. Звезды и их скопления, галактики, имеющие гигантские размеры и удаленные на огромные от нас расстояния, образуют мегамир. Мельчайшие объекты, такие как атомы и элементарные частицы, составляю микромир.

Все это многообразие существующих вокруг нас материальных объектов принято называть Вселенной. Разнообразные структуры Вселенной различаются не только своими пространственно-временным характеристикам, но и образующими их структурными элементами и закономерностями своего существования и развития. Используя различные средства и методы исследования, наука сначала получает знания об отдельных структурах Вселенной, а затем эти знания систематизирует.

Рассмотрение Вселенной как сложно организованной системы позволяет выделить в ней отдельные структурные области: мегамир, макромир и микромир. Сразу отметим, что границы между этими мирами достаточно условны.

Наглядное представление о размерах объектов макро-, мега и микромира можно получить, если мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу во много раз.

Если для примера взять сферу радиусом 10 см, объекты такого размера относятся к макромиру, и увеличить ее в миллиард раз, то получим сферу радиусом 100 000 км. 100 000 км это приблизительно четверть того расстояния, на которое Луна удалена от Земли. Спутник нашей планеты – Луна (средний радиус около 1,7 тысяч км), и остальные небесные тела Солнечной системы (несмотря большую удаленность от Земли) достаточно хорошо изучены.

В сферу этих размеров попадает большое число объектов макромира. Так средний радиус планеты Земля около 6,4 тысяч км, ее газовая оболочка – атмосфера, простирается на расстояние 100 км от ее поверхности. Водная оболочка Земли – мировой океан, занимает площадь 361,1 миллионов квадратных километров, что составляет более 70% земной поверхности.

Нашу планету населяет огромное число живых организмов, многообразие которых представлено миллионами видов. Размеры их варьируются в больших пределах. Так синий кит может достигать в длину более 30 метров и иметь массу полторы сотни тонн. Размеры бактериальных клеток оцениваются микрометрами (тысячные доли миллиметра). Для того чтобы их увидеть необходимо воспользоваться микроскопом. Все живые структуры состоят из веществ, а их существование подчиняется биологическим законам.

Таким образом, макромир – это структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с жизнью на Земле. Материя на этом структурном уровне Вселенной представлена полем и веществом и организована в различные неживые и живые структуры, существование и развитие которых определяется особенностями их организации.

Обратимся теперь к обсуждению космических размеров. Земля находится от Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это расстояние в астрономии принимается за 1 астрономическую единицу (а.е.). Самая дальняя планета Солнечной системы – Нептун находится от Солнца на расстоянии около 30 а.е. Размеры Солнечной системы и расстояния, на которых находятся ближайшие к нам звезды, будут составлять уже сотни тысяч астрономических единиц.

Для таких больших расстояний используют световые единицы. Эти единицы показывают, сколько времени потребуется свету, чтобы пройти определенное расстояние. 1 световой год равен приблизительно 9,46∙10 12 км. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Размер Солнечной системы оценивается примерно в 2 световых года. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра, расположена на расстоянии более 4 световых лет.

Космическое пространство в радиусе 10 14 км или 10 световых лет от Солнца содержит около десятка звезд. Расстояния до них, а также их возраст, массы, размеры, состав, температуры поверхностей, светимость ученые уже определили достаточно точно. Размеры в десятки световых лет – это масштабы мегамира. Так, размер нашей галактики Млечный путь составляет около 100 тысяч световых лет (диаметр). Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – галактики, которые находятся от нашей галактики на расстоянии 160 тысяч световых лет. Расстояние до еще одной из близких к нам галактик – галактики Андромеды составляет около 2,5 миллионов световых лет. Размеры галактик измеряются десяткам – сотнями тысяч световых лет, массы составляют от 10 7 до 10 12 масс Солнца (масса Солнца равна около 2∙10 30 кг).

Граница наблюдаемого мегамира находится от нас на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Согласно общепринятой гипотезе возраст нашей Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, поэтому свет от объектов, удаленных более чем на 14 миллиардов световых лет, ещё до нас не дошёл, и наблюдать такие объекты невозможно.

Таким образом, структурные уровни мегамира – звезды и звездные скопления, галактики, скопления галактик. Это структуры огромных размеров, масс и энергий, их движение определяется гравитационным взаимодействием и описывается законами общей теории относительности.

Рассмотрим теперь объекты микромира. Если уменьшить сферу радиусом 10 см в миллиард раз, то получим размер, соответствующий 10 -8 см (10 -10 м). Такие размеры соответствуют молекулам и атомам. Увидеть объекты такого размера с помощью микроскопа невозможно, т. к. длина волны видимого света находится в диапазоне в тысячи раз превышающем их размеры. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.

Приведем численные значения радиусов некоторых атомов. Так радиус атома водорода составляет около 5,3∙10 -11 м, радиус атома углерода равен 7,7∙10 -11 м, радиус атома железа равен 1,28∙10 -10 м. Размеры атома определяются размером его электронной оболочки.

Электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами и частицы – заряд (-1,6∙10 -19 Кл), масса (9,109∙10 -31 кг), и волны (длина волны, частота). Волновая природа электрона проявляется в способности к дифракции и интерференции. Энергия электрона в атоме изменяется дискретно. Волновая природа электрона не позволяет говорить о траектории его движения. Состояние электронов в атоме описывается законами квантовой механики.

Нахождение электрона в атоме описывают как электронное облако определенной формы. Электронные облака изображают с помощью моделей – атомных орбиталей различной формы. Электронная конфигурация атомов (распределение электронов по орбиталям) определяет его химические свойства. Атомы могут соединяться, образуя большое разнообразие более сложных структур, существование которых обусловлено химической связью, имеющей электростатическую природу. Оценить размеры молекул можно по длинам связей (расстояние между центрами атомов, связанных химической связью). Так, например, в молекуле водорода Н₂ длина связи составляет 7,4∙10 -11 м. В молекуле воды Н₂О расстояние между центрами атомов кислорода и водорода составляет около 10 -10 м.

Более сложные молекулы, например, фуллеренов С₆₀ и С₇₀ имеют диаметр 7,1∙10 -10 и 7,8∙10 -10 м. Атомы могут соединяться в еще более крупные молекулы и образовывать длинные цепочки полимеров. Размеры таких молекул могут достигать нескольких сотен нанометров. Например, длина молекулы мышечного белка миозина составляет около 200 нм. С помощью электронного микроскопа была установлена форма молекул миозина, а рентгенограмма показала его вторичную структуру. Самые небольшие молекулы нуклеиновых кислот вирусов, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов, могут достигать в длину несколько сотен нанометров. Диаметр ДНК составляет около 2∙10 -9 м, а длина у разных организмом может быть в тысячи – миллионы раз больше.

Последние десятилетия активно развиваются прикладные исследования структур, размеры которых находятся в интервале 1 – 100 нанометров. Результаты изучения фуллеренов, фуллеритов, углеродных нанотрубок, молекул белков, нанокристаллов, кластеров, тонких пленок и других структур размером от 10 -9 до 10 -6 м лежат в основе современных нанотехнологий. Мир объектов таких масштабов стали называть наномиром

Вернемся к строению атома. Ядро атома имеет размеры порядка 10 -15 м и состоит из нуклонов, протонов и нейтронов. Их массы составляют 1,673∙10 -27 кг и 1,675∙10 -27 кг соответственно. Существование протонов и нейтронов в ядре определяется сильным взаимодействием, которое может проявляться только на таких малых расстояниях. Протоны и нейтроны, как и другие объекты микромира, обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Нейтроны и протоны не являются элементарными частицами и в своем составе имеют еще более мелкие частицы – кварки, размер которых оценивается уже в 10 -18 м. Размеры такого порядка соответствуют масштабам электрона. Проникнуть еще глубже в микромир ученые еще не могут. Современные способы изучения структур микромира основаны на наблюдениях за столкновениями между различными частицами. Чем меньше частица, тем больше энергии ей нужно сообщить. Эта энергия сообщается частицам при разгоне на ускорителях. Причем, чем больше энергии требуется, тем больше должен быть размер ускорителя. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров (например, Большой адронный коллайдер), однако даже этих размеров недостаточно для проникновения в структуры объектов порядка 10 -18 – 10 -19 м, размер необходимых для этого ускорителей сопоставим с размерами земного шара.

Все современные методы исследования объектов различного масштаба основываются на использовании сложнейших приборов. Современные электронные микроскопы, использующие вместо света пучок электронов, позволяют получить изображения, где различимы отдельные атомы. Для изучения объектов мегамира используются, например, различные телескопы (оптические, радиотелескопы, космические телескопы) и межпланетные станции. В современных оптических телескопах размер зеркала может достигать 10 м. Главное зеркало космического телескопа Хаббла имеет диаметр 2,4 м. А рефлекторное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 составляет 576 м.

Резюме теоретической части: Под Вселенной понимается всё многообразие окружающего материального мира. Во Вселенной можно выделить структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, наномир, микромир. Объекты макромира соизмеримы с масштабами жизни на Земле и доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств. Объекты мегамира в силу большой удаленности и огромности размеров и объекты микромира из-за чрезвычайно малых размеров и особенностей организации недоступны непосредственному восприятию человека и требуют специальных средств и методов изучения. Изобретение телескопа и микроскопа положило начало созданию средств исследования природных объектов, непосредственное изучение которых человеком затруднено в силу или большой удаленности или малых размеров. Современные электронные телескопы и микроскопы наряду с другими сложными приборами, такими, например, как Большой адронный коллайдер, являются важными средствами изучения удаленных и мельчайших структур Вселенной. На современном этапе развития науки границы наблюдаемого мегамира находятся на расстояниях около 10 миллиардов световых лет от Земли, а познания микромира ограничены размерами порядка 10 -18 м, что соответствует размерам электрона. Систематизация научных знаний и наглядное их представление является одной из важных задач науки.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Укажите верные утверждения:

Утверждение

Правильный ответ и пояснение

А. Вселенная – это все материальные объекты, окружающие нас.

Правильное утверждение. Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Б. Мегамир, макромир и микромир резко разграничены между собой.

Неправильное утверждение. Во Вселенной можно выделить некоторые структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, микромир. Границы между этими мирами достаточно условны.

В. Особые структуры микромира, лежащие в основе нанотехнологий, можно назвать наномиром.

Правильное утверждение. Появление нового направления в науке – нанотехнологий, связано с развитие прикладных исследований особых объектов размерами порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м). Размеры наноструктур соответствуют размерам молекул и атомов. Для обозначения таких структур стали использовать понятие наномир.

Г. С помощью современных приборов мы можем непосредственно увидеть строение атомов и молекул.

Неправильное утверждение. Непосредственно увидеть строение атомов и молекул невозможно. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.

Д. Масштабы мегамира настолько огромны, что для их описания вводят специальную величину – световой год.

Правильное утверждение. Мегамир – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год и соответствует 9,46∙10 12 км

2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго. Правильный ответ:

Особенности структурной области Вселенной

Структурная область Вселенной

Преимущественным взаимодействием в этой структурной области Вселенной является гравитационное взаимодействие, описываемое законами общей теории относительности.

Основными фундаментальными взаимодействиями в данной структурной области Вселенной являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.

Ключевую роль в данной области Вселенной играют электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

Характеристикой материи является ее структурная бесконечность. Проявлениями данного свойства материи являются:

Принцип Неисчерпаемости объектов и процессов микромира
Принцип Бесконечности времени и пространства
Принцип Бесконечности изменений и развития процессов.

В современной науке структурированность материи стала научно обоснованной концепцией системной организации материи. Для выделения структурных уровней существуют следующие характеристики:

Пространственно-временные масштабы
Совокупность важнейших свойств и законов изменения
Степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи.
Объективную действительность составляют три основные сферы- неорганическая природа, органическая природа, общество.

Рассматривая неорганический тип материи можно выделить следующие структурные уровни:

Краткая характеристика структурных уровней материи

Мегамир – это бесконечный мир космоса, сюда входят планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики. Это мир огромных масштабов и скоростей. Расстояние в мегамире измеряется астрономическими единицами, световыми годами, парсеками. Время жизни космических объектов исчисляется миллионами и миллиардами лет.

Макромир – это мир устойчивых форм величин, соразмерных человеку. Сюда относятся организмы, сообщества организмов, кристаллические комплексы молекул и т.д. пространственные величины объектов макромира измеряются в миллиметрах, сантиметрах, километрах; время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.

На каждом из структурных уровней материи действуют собственные проявления пространственно-временных отношений, различные виды движений. Микромир определяется законами квантовой механики. Макромир описывается законами классической механики. Теория относительности и теория релятивистской космологии действуют в Мегамире.

Готовые работы на аналогичную тему

Типы связей для разных уровней материи отличаются. В масштабах $10^$ существуют сильные взаимодействия, а целостность ядра обеспечивается ядерными силами. За целостность атомов, молекул, макротел отвечают электромагнитные силы. В масштабах космоса действуют гравитационные силы.

Подробнее всего наукой изучался макромир. Результатом долгого и подробного изучения макромира стала классическая наука Нового времени. Она занималась исследованием объектов и процессов, которые человек наблюдал невооруженным взглядом. В результате таких наблюдений появилась механика, оптика, электродинамика, классическая термодинамика.

Исследования макромира начались в конце 19 века, после открытия Дж. Томсоном первой элементарной частицы – электрона и выдвижения М. Планком идеи кванта – мельчайшей неделимой порции энергии, в которой может происходить излучение и поглощение энергии. Свойства элементарных частиц, которые казались необъяснимыми и ошеломляли ученых в скором времени удалось объяснить. Это случилось в рамках квантовой механики и квантовой электродинамики, которые стали первыми квантовыми теориями. Несмотря на множество открытий, сделанных учеными в этой области, все еще существует множество до сих пор необъясненных фактов и неизученных явлений. Исследование этих явлений и их изучение является задачей современной науки, и возможно, останется задачей постнеклассической науки.

Исследование мегамира началось с появлением астрономии. Астрономия является одной из первых естественных наук. Однако, преобладающую часть своей истории астрономия являлась описательной наукой. Концепции, носящие обоснованный характер, появились лишь к началу 20 века. Такими концепциями являются космология и космогония.

Космология – это физическое учение о строении и эволюции Вселенной, как единого целого.

Космогония – это раздел астрономии, который занимается исследованием происхождения и эволюции небесных тел, планет, звезд и других тел планетной системы

Нужно отметить, что большая часть концепций и теорий космологии и космогонии оказались связаны c исследованиями микромира. Этим самым подтверждается идея всеобщей связи всех уровней структурной организации материи.

Представления о Мегамире

Строго определенной границы между макромиром и мегамиром не существует. Традиционно предполагается, что мегамир начинается с масс $10^$ кг и с расстояния примерно $10^7$ км. Опорной точкой мегамира может быть Земля. В связи с тем, что мегамир характеризуется большими расстояниями, для их измерения введены специальные единицы – парсек, световой год, астрономическая единица.

Астрономическая единица (а.е.) – это среднее расстояние от Земли до Солнца, которое составляет $1,5 • 10^$ м.

Световой год – это то расстояние, которое проходит свет в течение года, оно рано $9,46 • 10^$м.

Парсек – это такое расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты равен одной секунде (параллакс-секунда). Оно составляет $206265 а.е. = 3,08 • 10^ м = 3,26$ св. г.

Весь мир, окружающий нас, – это Вселенная. Ученые, физики и астрономы, подразумевают, как правило, ту часть мира, которую возможно изучить при помощи естественнонаучных методов. Такая часть Вселенной называется Астрономическая Вселенная, или иначе Метагалактика.

Небесные тела Вселенной в свою очередь образуют системы, имеющие разную сложность. Примером одной из систем является Солнечная система, в которой вокруг Солнца движутся 9 планет, которые являются остывшими телами, светящиеся светом, отраженным от Солнца. Наблюдаемые невооруженным взглядом звезды составляют небольшую часть нашей Галактики, основная часть звезд сосредоточена в Млечном Пути.

Млечный путь – это светлая неровная полоса, огибающая небо по большому кругу. Кроме звезд и планетных тел, Галактики состоят из межзвездного газа и пыли. Звезды, принадлежащие одной Галактике, удерживаются вместе благодаря силе гравитации. Каждое небесное тело имеет свою историю развития. Возраст Вселенной исчисляется 15 - 20 млрд. лет, возраст Солнечной системы – 5 млрд. лет, возраст Земли - 4,5 млрд. лет.

Наша Вселенная разделена человеком на различные составляющие объективной реальности, распределена на ряд миров. Для удобства принято использовать такие понятия, как мегамир, макромир и микромир.

Для полного понимания значения этих терминов необходимо перевести слова в понятную нам лексику. Приставка "мега" - происходит от греческого μέγας , что обозначает "большой". Макро - в переводе с греческого μάκρος (макрос) — "большой", "длинный". Микро - происходит от греческого μικρός и означает "маленький".

Различные миры восприятия

К мегамиру относятся объекты космических размеров. Например: галактика, солнечная система, туманность.

Макромир - это то привычное для нас пространство, осязаемое и воспринимаемое естественным путём. Где мы можем видеть, воспринимать обычные физические объекты: автомобиль, дерево, камень. В нем также существуют такие привычные для нас понятия, как секунда, минута, день, год.

Существует второе определение. Макромир - это мир, в котором мы жили до появления квантовой физики. С возникновением новых знаний и понимания строения материи произошло деление на макромир и микромир.

Квантовая физика ввела человека в новые представления о мире и его составляющих частях. Установила ряд определений, уточнив, какие объекты характерны для микро- и макромира.

К определению объектов микромира отнесено все, что находится на атомном и субатомном уровне. Кроме своих размеров, этой зоне объективной реальности свойственны совершенно другие законы физики и философии её понимания.

Корпускула или волна?

Это область, где стандартные для нас законы лишены какого-либо применения. Элементарные частицы на этих уровнях пребывают сугубо в виде волнового процесса. Анализируя утверждения некоторых учёных, что этой области мира присуще корпускулярное (в переводе означает "частица") проявление элементарных частиц, можно сказать, что не может быть однозначного видения в этих вопросах.

В некоторой степени они правы, с позиции макромира. При наличии наблюдателя они ведут себя как частицы. При отсутствии их поведение становится волновым.

В реальности территория области микромира представлена волнами энергии, зацикленными в кольцах и спиралях. Что касается нашей привычной зоны восприятия, то объекты макромира представлены в виде корпускулярной (предметы, объекты) составляющей и волновых процессов.

Пять различных миров

На сегодня существует пять типов нашего мира, в том числе и указанные ранее три (обычно используемые).

Гипермир

Первым считается гипермир, но на данный момент нет конкретного доказательства его существования. К нему гипотетически относят множественные Вселенные.

Мегамир

Линейное пространство может измеряться в астрономических единицах, световых годах и парсеках. Время – в миллионах и миллиардах лет. Основной силой является гравитационный тип взаимодействия.

Макромир

Третий мир - это часть реальной объективности мира, в котором существует человек. То, как вы определите понятие "макромир" и его отличие от других составляющих Вселенной, не является сложностью. Нет необходимости утруждать собственное понимание.

Оглянитесь вокруг, макромир - это все, что вы видите, и все, что окружает вас. В нашей части объективной реальности существуют как объекты, так и целые системы. Они включают также живые, неживые и искуственные объекты.

Некоторые примеры макрообъектов и макросистем: оболочки планеты (водная, газообразная, твёрдая), города, машины и здания.

Пространство измеряется в микромиллиметрах, миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах. Что касается времени, то оно измеряется в секундах, минутах, днях, годах и эрах.

Присутствует в основном электромагнитное поле взаимодействия. Квантовое проявление – фотоны. Имеется также гравитационный вид взаимодействия.

Микромир

Микромир - это область микрообъектов и микросостояний. Является частью реальности, где объекты предельно малых размеров, экспериментального масштаба. Для наблюдения обычным человеческим глазом они недоступны.

Преобладают в микромире следующие силы: слабое межатомное взаимодействие, квантовые поля – тяжёлые промежуточные бозоны; сильное межъядерное взаимодействие, квантовый тип полей – глюонов и p-мезонов; электромагнитный тип взаимодействия, благодаря которому существуют атомы и молекулы.

Гипомир

Последний мир весьма специфичен. Существует на сегодня не более чем теоретически.

Гипомир - это гипотетический мир внутри микромира. Он ещё более мал по своим размерам. В нем предположительно существуют объекты и системы.

Пространство и время дискретны, находятся в пределах представленной модели планкеона:

- Линейные параметры - 10-35 метров.
- Время планктеона - 10-43 секунды.
- Плотность гипомира - 1096 кг/м 3 .
- Энергия планктеона - 1019 ГэВ.

К базовым взаимодействиям в микромире, возможно, в будущем добавятся новые силы гипомира или они будут объединены в одно целое.

В процессе познания этого мира учёные для полного понимания делили все изучаемое на области, сферы, разделы, группы, части и многое другое. Именно этот способ позволяет чётко классифицировать и понимать суть окружающего мира.

Примерно шестьсот лет назад любой учёный назывался естествоиспытателем. На то время не было деление науки на какие-либо направления. Естествоиспытатель изучал физику, химию, биологию и все, с чем сталкивался.

Попытка понять и изучить мир привела к продуктивному и эффективному разделению. Но все же не забываем, что этот подход применил человек. Природа и окружающий мир являются целостными и неизменными, независимо от наших представлений о них.

Экспериментально установлено, что поведение микроскопических объектов невозможно объяснить привычными нам законами физики макромира. В начале двадцатого столетия для описания явлений микромира была предложена другая физика - квантовая механика. Законы квантовой механики для нас (жителей макромира) крайне необычны, очень часто знакомство с ними вызывает неприятие, они довольно сложны математически и далеко не всегда поддаются переводу с языка формул и уравнений на язык понятий и удобных для человека образных представлений. Квантовая механика очень плоха, обычно студенты ненавидят этот предмет. У квантовой механики есть всего одно достоинство: она с высокой точностью объясняет поведение микромира и обладает положенной хорошей научной теории предсказательной силой. Поэтому и приходится мириться с множеством ее недостатков, перечисленных выше.

Квантовая механика "объемнее" обычной классической механики. Классическая физика выводится из квантовой механики как частный случай, когда размеры объектов достаточно велики и квантовыми эффектами можно пренебречь.

Я не считаю необходимым (да и возможным) в пределах этого курса давать системное изложение квантовой механики. По мере необходимости я буду обращаться к ее аппарату, стараясь обходиться без математики. Для начала полезно будет дать некоторое сравнение наиболее важных свойств макромира и микромира.

1. Макрообъекты имеют определенный размер. Микрообъекты не имеют размера.

Я всегда могу сказать, что некая макроскопическая сущность имеет точно очерченные границы. Макроскопический круг на левом верхнем рисунке начинается по оси Х в точке х₁ и заканчивается в точке х₂. Можно уверенно сказать, что левее точки х₁ его нет, потом на отрезке [x₁, x₂] он есть, а правее точки х₂ его снова нет. Тоже можно выразить языком вероятности (график под левым кругом): левее точки х₁ вероятность обнаружения круга равна нулю, на отрезке [x₁, x₂] она равна 100%, а правее точки х₂ - снова ноль.

Совсем иначе ведет себя круг в макромире (рисунок справа сверху). Совершенно невозможно сказать, что он начинается и заканчивается в определенной точке. Он "размазан" по всей Вселенной. Вероятность обнаружить его на бесконечно большом удалении в любом направлении никогда не бывает равной нулю. Но и вероятность обнаружения его в самом центре рисунка меньше ста процентов. Микроскопический объект находится сразу везде, но при этом он нигде не находится полностью. И график его вероятности (под кругом справа) имеет форму колокола, нигде не достигающего нуля.

Замечание №1: В нашем макроскопическом мире тоже существуют объекты, не имеющие очерченных пространственных границ. Например, у облака нет очерченных границ. Тем не менее функция вероятности нахождения облака в пространстве убывает у его границ достаточно резко (см. рис ниже), поэтому я всегда могу определить границы облака приблизительно, но с вполне удовлетворительной точностью. В микромире точность границ будет настолько неудовлетворительной, что сами границы не будут иметь смысла.

Замечание №2: На самом деле, в нашем мире функция вероятности никогда не изменяется мгновенно от нуля до ста процентов. То есть, я никогда не могу определить бесконечно малую линию или плоскость, по которой проходит граница предмета - она всегда будет немножко размазана. Но эта размазанность настолько невелика (скажем, с полмиллиметра для того стола, за которым я сейчас сижу), что в практическом смысле она не имеет значения. Хотя токарь, вытачивающий втулку для вставки в отверстие со мной не согласится. Пара "соток" (0.01 мм) не в ту сторону - и втулка никогда не войдет туда, куда ей положено войти. Но все равно, эта неопределенность намного-намного меньше неопределенности границ в микромире.

Замечание №3: На всех рисунках показаны одномерные функции вероятности, только вдоль оси Х. На самом деле наше пространство не одномерно. Но мне с моими "художественными способностями" многомерную функцию вероятности точно не нарисовать.

2. Движение макрообъектов детерминировано. Движение микрообъектов вероятностно

Для любого движущегося объекта в макромире существует понятие траектории - маршрута движения. Траектория может быть очень простой, например, прямолинейной, или очень сложной, но она существует. А поскольку она существует, ее можно рассчитать, зная координаты и их производные по времени (скорости, ускорения и производные более высоких порядков). Даже если на практике такой расчет окажется неимоверно сложным, это - лишь техническое затруднение. Имея достаточно точную измерительную аппаратуру и достаточно мощные считающие устройства, мы сможем решить эту задачу. В микромире само понятие траектории лишено смысла. Микрообъект вероятностен, и его движение тоже вероятностно. Принципиально невозможно определить, где будет находиться микрообъект в каждый момент времени, можно лишь оценить вероятности его нахождения в различных точках пространства в различные моменты времени. Причем чем точнее мы определим местонахождение, тем более размазанным окажется время, и наоборот.

3. В макромире частицы и волны различны. В микромире любой объект имеет волновые и корпускулярные свойства, то есть является одновременно волной и частицей

Два макроскопических шарика могут столкнуться друг с другом и вновь разлететься после столкновения. В полном соответствии с законом сохранения импульса, "управляющим" столкновениями частиц. Две макроскопических волны могут пройти друг сквозь друга, никак не прореагировав на "столкновение", а могут интерферировать, когда в одних точках они взаимно уничтожатся, в других - усилятся, в третьих - изменятся как-то еще. Взаимодействие двух макроскопических волн описывается уравнениями волновой физики. Корпускулярный закон сохранения импульса неприменим к волнам, а волновые уравнения неприменимы к частицам.

Два микрообъекта (например, два электрона) могут пройти друг сквозь друга, но при этом их их импульсы могут измениться (или не измениться) в соответствии с волновыми уравнениями. Взаимодействия микрообъектов описывается одними и теми же уравнениями безо всякого деления на волны и частицы. Электрон - и волна, и частица (и что-то еще сверх того). То же верно в отношении остальных микрообъектов.

4. В макромире барьеры бывают непреодолимыми. В микромире любой барьер преодолим с некоторой вероятностью

Если поместить макроскопический шарик между двух стенок бесконечной высоты, заставив его прыгать от одной стенки к другой, шарик никогда не сможет преодолеть барьеры. Разве что его кинетической энергии хватит на то, чтобы пробить в одном из них дыру, или высота окажется не бесконечной. Если в аналогичную ситуацию попадает микроскопический объект, он пройдет сквозь барьер при любой высоте барьера и любой собственной энергии. Правда, с определенной вероятностью, которая может оказаться настолько малой, что мы не сможем ее обнаружить. И шарик за пределами барьера тоже не сможем обнаружить. Но это - ~~проблемы~~ ограничение не шарика, а наблюдателя. И на этом странном и таком далеком от реальной жизни прохождении электронов сквозь барьеры основаны, среди прочего, все наши с вами компьютеры и множество другой электроники.

Читайте также: