Современные проблемы физики реферат

Обновлено: 02.07.2024

Самая сложная проблема современной физики - объединение частных теорий, например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория гравитации не входит в теорию трёх взаимодействий, в химии не учитывают строение ядра атома. Проблема объединения есть проблема достижения высоких энергий, так как при высоких энергиях частицы перестают отличаться. До 30-х годов считали, что существуют два типа сил на макро-уровне - гравитационные и электромагнитные, но открыли слабое и сильное-ядерное взаимодействия. Был открьгг мир внутри протона и нейтрона, но этот порог энергий выше, чем в центре звёзд. Будут ли открыты ещё более элеметарные частицы, чем кварки и электроны?

До 1984 года большинство учёных верили в теорию суперсимметрии (супергравитации, суперсилы). Суть её в том, что все частицы (частицы вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) - разные виды одной "суперчастицы". Эта "суперчастица" или суперсила с понижением энергии предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия, как электромагнитная и гравитационная силы (Дэвис 1989, "окинг 1990: 134). Но сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории (нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере заняла бы более четырёх лет ("окинг 1990: 134, Налимов 1993: 16).

В математических моделях теории супергравитации возникает и проблема бесконечностей. В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы - старые философские вопросы: конечен или бесконечен мир в пространстве и времени? Вселенная взорвалась из сингулярности планковских размеров, куда она расширялась и расширяется? В 80-х годах становится популярной струнная теория. Микрочастицы это не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и открытостью. Частицы - волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке. Испускание частицы - соединение, поглощение частицы-переносчика - разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне ("окинг 1990: 134-137).

В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема многомерности пространства-времени, например, электрон - это малая вибрирующая струна планковской длины в шестимерном и даже в 27-мерном пространстве. Если есть иные меры, то почему развернулись только 3-пространственые и одна временная меры? Существуют ли параллельные Вселенные, неодномерные нам? Наконец могут ли существовать иные неодномерные для нас формы разума?

Проблема наблюдателя, возрождение идей панпсихизма, невозможность разделить субъект и объект в квантовой механике, антропный принцип в космологии, гипотезы о слабых формах сознания и космическом сознании, всё это свидетельствует, что и философская проблема сознание-материя становится серьёзной проблемой физики, ускользая из рук философов (Налимов 1993: 36-37, 61-64). Физики пьггаются включить сознание в картину физического мира. В книге П. Дэвиса и Дж. Брауна "Дух в атоме" говорится о роли процесса измерения в квантовой механике. Наблюдение мгновенно изменяет состояние квантовой системы. Изменение ментального состояния экспериментатора вступает в обратную связь с лабораторной аппаратурой и, следовательно, с квантовой системой, изменяя её состояние (цит. по Налимов 1993: 41-42). Включённость сознания в общую связь всего сущего предполагает и бутстрэпная теория. Эта теория отрицает фундаментальные сущности ("кирпичики" материи, константы, законы, уравнения), Вселенная понимается как динамическая сеть взаимосвязанных событий.

В квантовой теории возникает проблема создания языка, наши обычные понятия не могут бьггь применены к строению атома. Математические схемы более однозначно отражают эксперимент (Гейзенберг 1989: 104-117).

Современная физическая картина мира принципиально не завершена. Но самое трудное в науке то, что нет никаких успехов включения человека в единую теорию. После Ньютона и Энштейна у нас нет чегкой формулы мира. Какую роль в мире, который находится в процессе строительства, играют люди? Предопределено ли будущее и можем ли мы играть какую-то роль в формировании мира, если мы часть природы (И. Р. Пригожин)? Возникает потребность в универсальной теории коэволюции человека и природы.

4.8.История космологических представлений В конце "" в. стало ясно, что Вселенная является системой, эволюционирующей от планковских размеров (10" см.) до масштабов 10~' см. или даже больше. Эволюцию Вселенной и изучает космология. История развития космологических представлений включает три этапа: от древнегреческих моделей Космоса до гелиоцентрической модели Н. Коперника, от работ И Кеплера, Г. Галилея, стационарной, механистической картины мира И. Ньютона и статичной, сферичной, конечной Вселенной А. Эйнпггейна до расширяющейся модели Вселенной А. А. Фридмана (1922 г.) и предсказания реликтового излучения Г. Гамовым, от теории Большого взрыва до современных инфляционных моделей (Павленко 1997).

Древнегреческая парадигма Космоса характеризуется (греч. гармония, порядок, красота): гармонией через число (Пифагор), одушевлённостью и подобием живому организму, вечностью (по Гераклиту мир всегда есть, был и будет вечно живым огнём), центризмом (неподвижная Земля в центре у Птолемея, Платона и Аристотеля, у Пифагора в центре - огонь, у Аристарха - Солнце) и бесконечностью (Демокрит).

Нововременная парадигма Вселенной: Н. Коперник (Солнце - центр мира, Вселенная - гармония и разумный порядок, движение небесных тел - вечное и круговое), И. Кеплер (планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца), Дж. Бруно (нет центров, небо - безмерное пространство с бесчисленными мирами), Г. Галилей впервые увидел в телескоп миллиарды звёзд, вращение солнечных пятен, кольца Сатурна, спугники Юпи ра, И. Ньютон (Вселенная создана Богом по неизменным законам, число звёзд бесконечно и они равномерно распределены по бесконечному пространству, нет центральной точки, куда бы могли упасть звёзды под действием сил гравитации) (Дэвис 1989: 205).

температура связана со звуком, от "начального взрыва" должно остаться реликтовое излучение. Экспериментально обнаружить реликтовый фон микроволнового радиоизлучения из космоса удалось в 1965 году (А. Пензиас, Р. Вилсон), что означало не только расширение, но и остывание Вселенной. В 1970 году Р. Пенроуз и С. "окинг, исследуя так называемые чёрные дыры (коллапсирующие в сингулярность звёздя), доказали существование сингулярности, "дофизической" формы материи в модели Большого взрыва ("окинг 1990: 75-89).

С конца 70-х разрабатывается перспективное направлен,ие в космологии, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума, инфляционная модель Вселенной (С. "окинг, А. Д. Линде, П. Дэвис): эволюция Вселенной приводит к возникновению многих областей, где действует инфляция (расширение). В одних областях расширение уменьшается, в других - квантовая флуктуация влечег за собой рост инфляции, быстрое расширение Вселенной. Мы живём в одной из "долин", где пространство больше не "инфлирует" (Павленко 1997: 183).

4. 9 Космическая эволюция ' Исследованию ранней Вселенной помогают эксперименты с помощью гигантских ускорителей элементарных частиц, где достигают таких энергий, которые были в ранней горячей Вселенной. Данные физики элементарных частиц теоретически экстраполируют в прошлое и строят модели космической эволюции (Вайнберг 1981: 12-15, Силк 1982: 102-146, Гут, Стейнхардт 1984: 56-59, Дэвис 1985: 41-51, 1989: 186-225, "окинг 1990: 103-106, Леще 1990, Новиков 1991). На современных ускорителях элементарных частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени, как 10 'и с после Большого взрыва, когда температура достигала 10мК, а Вселенная была размером с Солнечную систему. Это предел энергии, дос~игнутый в настоящее время в физике. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория (Дэвис 1985; 44, 1989: 192).

Уровень элементарности (макромолекулы и кристаллы, молекулы и атомы, ядра и нуклоны, кварки и лепгоны) зависит от уровня энергии. Квантовый характер системы ограничен, порог возбуждения зависит от характера системы, он всегда тем выше, чем меньше пространственные размеры системы. Требуется очень малая энергия, чтобы изменить кванговое состояние большой молекулы, больше энергии необходимо для изменения атома и в тысячу раз больше для изменения атомного ядра. Эгу последовательность условий В. Вайскопф назвал квантовой лестницей. Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом (Вайскопф 1977: 42).

Наивысшая ступень - газ из протонов, нейтронов и электронов при исключигельно высокой температуре, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов электроновольт. Проблема существования "последней" ступеньки квантовой лестницы не решена (Вайскопф 1977: 52, "окинг 1990: 141-142): возможно, природа неисчерпаема, но может быть это и не так (В. Вайскопф), гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на последовательность вложенных одна в другую "матрёшек" (С. "окинг). Движение протонов, нейтронов и электронов носит случайный, хаотический характер. При более низкой температуре меньше миллиона электронвольт, адроны группируются и образуют атомные ядра. Десятки ядер и изотопов представляют собой определённые индивидуальные состояния, но движение ядер и электронов всё ещё случайно и неупорядоченно. При ещё более низкой температуре (как на поверхности Солнца) электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер - появляется разнообразный мир химических элементов (атомов). На уровне тысяч градусов Цельсия атомы образуют простые молекулы, ещё более разнообразный мир неорганических химических систем. Дальнейший спуск по лестнице приводит нас в энергетическую область, где молекулы группируются в гигантские цепеобразные "живые" молекулы. Для существования живой материи требуется относительно узкий диапазон температур. Самая низкая ступень - нулевая температура, жизнь замрёт и вся материя образует большой кристалл, в котором разнообразие форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии.

Судя по современной скорости расширения Вселенной, оно началось примерно 15-20 млрд. лет назад (Дэвис 1985: 41). В фазе сверхрасширения, каждые 10 ~~ с все области Вселенной удваивали свои размеры, процесс удвоения продолжался в геометрической прогрессии. Чрезвычайно быстрое и непрерывно ускоряющееся сверхрасширение (инфляция) и есть Большой взрыв. Когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно горячей (энергия вакуума), состояние вакуума распалось, энергия высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 10' К (Гут, Стейнхардт 1984, Дэвис 1989: 211-212). В момент Большого взрыва размеры Вселенной были равны по радиусу 10 м~ см, а сама она была бесконечно плотной и горячей, но по мере расширения температура излучения понижалась ("окинг 1990: 103).

Историю ранней Вселенной характеризуют последовательностью эпох (эры Планка и великого объединения, адронная и лептонная, плазменная и современная) (Дэвис 198~: 45). Самая ранняя эпоха Планка продолжалась 10 ~~ с, температура 10~~ К, плотность 10~~ кг!ь~, вероятно, были значительными эффекты квантовой гравитации, флуктуации кривизны пространства-времени (Дэвис 1985: 44, 57-58). До 10 и~ с - эра великого объединения: космос заполнен "супом" из счранных, неведомых нам частиц (однообразные, не имеющие индивидуальных свойств), плотность "супа" 10 вв1ь~, температура 10" К, свет не успел пройти и миллиардную долю поперечника протона. Сверхмассивные "-частицы (двойки тяжёлых кварков) "супа" вызвали ассиметрию вещество-антивещество - (10 +1):10, аннигиляция привела к крошечному остатку вещества и гамма-излучению, реликтовый фон которого сегодня равен 3К (моделирование данной фазы основано на экспериментах и теории великого обьединения) (Дэвис 1989: 196-200).

Следующая адронная эра длится до 10 ~ с. Падение температуры вызывает фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда, столь же внезапно (через 10 'н с, Т=10" К, Вселенная сжата до размеров Солнечной системы) обретают индивидуальность кварки и лептоны, их античастицы и фотоны. Симметрия продолжает нарушатся. Сильное взаимодействие спустя 10 ~ с создаёт ещё один фазовый переход: самоорганизуются субьядерные структуры, конгломерат быстро движущихся кварков конденсируется, образуя адроны (протоны, нейтроны, мезоны), объединения кварков попарно или по три (устойчивость субьядерных частиц достигалась за счёт энергии внутренних связей, сильных взаимодействий). Ещё одно нарушение симметрии - разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. Аннигиляция приводит к исчезновению античастиц и излучению (лептонная эра, до 1с после инфляции, Т=10м~ К). Пространство заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами (отбор на устойчивость 3-х кварковых частиц), электронами и нейтрино (лептонов во много раз больше) и тепловым излучением. Ранняя Вселенная расширялась очень быстро, через минуту температура упала до 10 К, спустя ещё несколько минут - ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции

(плазменная эра). Начинается синтез лёгких ядер гелия (два протона и два нейтрона), Избыгок протонов (ядра водорода) привёл к образованию плазмы, состоявшей из 10% ядер гелия и 90% ядер водорода (Дэвис 1985: 41-46, 1989: 186-200).

Солнце, звезда второго поколения, также образовалась из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака пошёл на образование Солнца или был унесён взрывом, но небольшое количество более тяжёлых элементов, собравшись вместе, превратилось в планеты ("окинг 1990: 106). Уникальная совокупность условий, сложившихся более 4-х млрд. лет назад на Земле, положила начало новому этапу эволюции неравновесных процессов (Назаретян 1991: 74).

4.10. Проблемы современной космологии До появления моделей А. А. Фридмана в науке не стояли проблемы возникновения мира. В рамках модели эволюционирующей Вселенной наука должна ответить на вопросы: из чего рождается Вселенная? и почему произошёл Большой взрыв? Если для науки высшим идеалом является эксперимент и теоретическое доказательство, то как научно ответить на вопросы о происхождении мира7 Согласно мифу мир рождается как актуализация воли гипертрофированной силы природы, в религии есть внеприродный творец, для философии - мир рождается как актуализация воли познающего себя разума (Гегель), а в науке?

В науке проблему - чем вызван Большой взрыв? - удаётся решать с помощью исследований вакуума, теорий инфляции и космического бутстрэпа. Вселенная начала своё существование из состояния вакуума, мир рождается как актуализация вакуума. В современной физике вакуум рассматривается как состояние материи, как "фермент" квантовой активности, кишащий виртуальными частицами, сложными взаимодействиями и содержащий гигантскую потенциальную энергию. Вакуум лишён вещества и излучения, но содержит частицы и вещество потенциально, нераспакованно, в возможности. Взорвался вакуум, начал инфлировать самопроизвольно, под действием сил отталкивания, за счёт собственной энергии. Самосоздающаяся Вселенная вытянула сама себя за собственные "шнурки" без помощи внешних факторов (Дэвис 1989: 210-215, Павленко 1997: 206-213).

Возникают вопросы: а случайны ли эти совпадения? Вселенная была изначально запрограмированна на возникновение жизни и человека? существуют ли другие формы интеллекта в физической Вселенной? почему существует корреляция мир- наблюдатель? и т. д. В 1973 году Б. Картер на основе совпадений физических постоянных сформулировал антропный космологический принцип: существование разумных существ сильно зависит от счруктуры физического мира, наше существование влечёт за собой строгий отбор типов Вселенной, мы видим Вселенную такой, как она есть потому что, будь она другой, нас бы здесь не было и мы бы не могли ее наблюдать. Есть два варианта объяснения антропного принципа - сильный и слабый. Сильный вариант: эволюция не случайна, а запрограмированна на появление жизни и человека. Слабый вариант: условия, необходимые для возникновения известных нам форм жизни и человека, выполняются только в некоторой области Вселенной. Существуют и иные варианты эволюции в других областях, где либо нет наблюдателей, либо наблюдатели другие. Слабый вариант согласуется инфляционной моделью. Философское осмысление антропного принципа.

Антропный принцип поднимает проблемы иных цивилизаций и будущего Интеллекта в космологических прогнозах. Будет ли Вселенная вечно расширятся или расширение сменится сжатием и коллапсом? Если Вселенная рождается, то должна ли Вселенная умереть? Ограничены ли частицы вещества сроком существования'? Оказалась ли наша планета единственной приоритетной точкой или Земля - одна из множества планет, на которых синхронно начиналась биотическая фаза эволюции? Подавляющему большинству специалистов по космологии человеческое существование видится бессмысленным. Какая бы космологическая модель ни оказалась правильной, ни в одной из них мы не находим утешения. Вселенная развилась из незнакомых начальных условий и ей предстоит угасание в бескрайнем холоде. Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной (Вайнберг 1981: 139-144). Но в пессимистических космологических прогнозах не учитьвается обратное влияние Интеллекта, о чём писали русские космисты (Н. Фёдоров, К. Э. Циолковский).

Начнем с проблемы, которая привлекает сейчас наибольшее внимание физиков, над которой, пожалуй, работает наибольшее количество исследователей и исследовательских лабораторий во всем мире, – это проблема атомного ядра и, в частности, как наиболее актуальная и важная ее часть – так называемая проблема урана.

Удалось установить, что атомы тол состоят 113сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного некоторым числом электронов. Положительный заряд ядра и отрицательные заряды окружающих его электронов компенсируют друг друга. В целом атом кажется нейтральным.

С 1913 почти до 1930 г. физики изучали самым тщательным образом свойства и внешние проявления той атмосферы электронов, которые окружают атомное ядро. Эти исследования привели к единой цельной теории, обнаружившей новые законы движения электронов в атоме, ранее нам неизвестные. Эта теория получила название квантовой, или волновой, теории материи. К ней мы еще вернемся.

Примерно с 1930 г. основное внимание было направлено на атомное ядро. Ядро нас особенно интересует, потому что в нем сосредоточена почти вся масса атома. А масса есть мера того запаса энергии, которой обладает данная система.

Каждый грамм любого вещества заключает в себе точно известную энергию и притом весьма значительную. Так, например, в стакане чаю, который весит примерно 200 г., заключено количество энергии, для получения которой нужно было бы сжечь около миллиона тонн угля.

Эта энергия находится именно в атомном ядре, потому что 0.999 всей энергии, всей массы тела заключает в себе ядра и только меньше 0.001 всей массы может быть отнесено к энергии электронов. Колоссальные запасы энергии, находящиеся в ядрах, несравнимы ни с какойформой энергии, какую мы знали до сих пор.

Естественно, заманчива надежда обладать этой энергией. Но для этого сначала нужно изучить ее, а затем найти пути для ее использования.

Но, кроме того, ядро интересует нас и по другим причинам. Ядро атома целиком определяет всю природу его, определяет его химические свойства и его индивидуальность.

Если железо отличается от меди, от углерода, от свинца, то различие это лежит именно в атомных ядрах, а не в электронах. Электроны у всех тел одни и те же, и любой атом может потерять часть своих электронов вплоть до того, что могут быть сорваны все электроны с атома. Пока цело и неизменно атомное ядро со своим положительным зарядом, оно всегда притянет к себе столько электронов, сколько необходимо для компенсации его заряда. Если в ядре серебра 47 зарядов, то оно всегда присоединит к себе 47 электронов. Поэтому, пока целю ядро, мы имеем дело с тем же самым элементом, с тем же самым веществом. Стоит изменить ядро, как из одного химического элемента получается другой. Только тогда осуществилась бы давняя и давно уже за безнадежностью оставленная мечта алхимии – превращения одних элементов в другие. На современном этапе истории эта мечта осуществилась, не совсем в тех формах и не теми результатами, которые ожидались алхимиками.

Что мы знаем об атомном ядре? Ядро в свою очередь состоит из еще более мелких составных частей. Эти составные части представляют собой простейшие известные нам в природе ядра.

Самое легкое и потому самое простое ядро – это ядро атома водорода. Водород – первый элемент периодической системы с атомным весом около 1. Ядро водорода входит в состав всех других ядер. Но, с другой стороны, легко видеть, что все ядра не могут состоять только из водородных ядер, как давно, уже более 100 лет назад, предполагал Проут.

Ядра атомов обладают определенной массой, которая дается атомным весом, и определенным зарядом. Заряд ядра задает тот номер, который данный элемент занимает в периодической системе Менделеева.

Водород в этой системе – первый элемент: у пего один положительный заряд и один электрон. Второй по порядку элемент имеет ядро с двойным зарядом, третий – с тройным и т.д. вплоть до самого последнего и самого тяжелого из всех элементов – урана, ядро которого имеет 92 положительных заряда.

Менделеев, систематизируя громадный опытный материал в области химии, создал периодическую систему. Он, конечно, не подозревал в то время о существовании ядер, но не думал, что порядок элементов в созданной им системе определяется просто зарядом ядра и ничем больше. Оказывается, что эти две характеристики атомных ядер – атомный вес и заряд – не соответствуют тому, что мы могли бы ожидать, исходя из гипотезы Проута.

Так, второй элемент – гелий имеет атомный вес 4. Если он состоит из 4 ядер водорода, то и заряд его должен был бы быть 4, а между тем заряд его 2, потому что это второй элемент. Таким образом, нужно думать, что в гелии всего 2 ядра водорода. Ядра водорода мы называем протонами. Но_у кроме того, в ядре гелия есть еще 2 единицы массы, которые заряда не имеют. Вторую составную часть ядра приходится считать незаряженным ядром водорода. Приходится различать ядра водорода, обладающие зарядом, или протоны, и ядра, не обладающие совсем электрическим зарядом, нейтральные, их мы называем нейтронами.

Все ядра состоят из протонов и нейтронов. В гелии 2 протона и 2 нейтрона. В азоте 7 протонов и 7 нейтронов. В кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, в углероде С протонов и 6 нейтронов.

Но дальше эта простота несколько нарушается, число нейтронов становится все больше и больше но сравнению с числом протонов, и в самом последнем элементе – уране имеется 92 заряда, 92 протона, а атомный вес его 238. Следовательно, к 92 протонам прибавлено еще 146 нейтронов.

Конечно, нельзя думать, что то, что мы знаем в 1940 г., есть уже исчерпывающее отображение реального мира и многообразие заканчивается на этих частицах, которые являются элементарными в буквальном смысле слова. Понятие элементарности означает только определенный этап в нашем проникновении в глубь природы. На данном этапе мы знаем, однако, состав атома лишь вплоть до этих элементов.

Эта простая картина па самом деле была выяснена не так легко. Пришлось преодолеть целый ряд затруднений, целый ряд противоречий, которые и момент своего выявления казались безвыходными, но которые, как всегда в истории науки, оказались только различными сторонами более общей картины, представлявшей собою синтез того, что казалось противоречием, и мы переходили к следующему, более глубокому пониманию проблемы.

Важнейшим из этих затруднений оказалось следующее: в самом начале нашего столетия было уже известно, что из недр радиоактивных атомов (о ядре тогда еще не подозревали) вылетают б-частицы (они оказались ядрами гелия) и в-частицы (электроны). Казалось, то, что вылетает из атома, это и есть то, из чего он состоит. Следовательно, казалось, ядра атомов состоят из ядер гелия и электронов.

Ошибочность первой части этого утверждения ясна: очевидно, что невозможно составить ядро водорода из вчетверо более тяжелых ядер гелия: часть не может быть больше целого.

Оказалась неверной и вторая часть этого утверждения. Электроны действительно вылетают при ядерных процессах, и тем не менее электронов в ядрах нет. Казалось бы, здесь – логическое противоречие. Так ли это?

Мы знаем, что атомы испускают свет, световые кванты (фотоны).

Что же эти фотоны запасены в атоме в виде света и ждут момента для вылета? Очевидно, нет. Мы понимаем испускание света таким образом, что электрические заряды в атоме, переходя из одного состояния в другое, освобождают некоторое количество энергии, которая переходит в форму лучистой энергии, распространяющейся в пространстве.

Аналогичные соображения можно высказать и относительно электрона. Электрон по целому ряду соображений не может находиться в атомном ядре. Но он не может и создаваться в ядре, как фотон, потому что обладает отрицательным электрическим зарядом. Твердо установлено, что электрический заряд так же, как и энергия и материя в целом, остается неизменным; общее количество электричества нигде не создается и нигде не исчезает. Следовательно, если уносится отрицательный заряд, то ядро получает равный ему положительный заряд. Процесс испускания электронов сопровождается изменением заряда ядра. Но ядро состоитиз протопоп и нейтронов, значит, один из незаряженные нейтронов превратился в положительно заряженный протон.

Отдельный отрицательный электрон не может ни возникнуть, ни исчезнуть. Но два противоположных заряда могут при достаточном сближении взаимно скомпенсировать друг друга или даже совсем исчезнуть, выделив свой запас энергии в виде лучистой энергии (фотонов).

Какие же это положительные заряды? Удалось установить, что, кроме отрицательных электронов, в природе наблюдаются и могут быть созданы средствами лабораторий и техники положительные заряды, которые по всем своим свойствам: по массе, по величине заряда вполне соответствуют электронам, но только имеют положительный заряд. Такой заряд мы называем позитроном.

Таким образом, мы различаем электроны (отрицательные) и позитроны (положительные), отличающиеся только противоположным знаком заряда. Вблизи ядер могут происходить как процессы соединения позитронов с электронами, так и расщепления на электрон и позитрон, причем электрон уходит из атома, а позитрон входит в ядро, превращая нейтрон в протон. Одновременно с электроном уходит и незаряженная частица – нейтрино.

Наблюдаются и такие процессы в ядре, при которых электрон передает свой заряд ядру, превращая протон в нейтрон, а позитрон вылетает из атома. Когда из атома вылетает электрон, заряд ядра увеличивается на единицу; когда вылетает позитрон или протон, заряд и номер в периодической системе уменьшается на одну единицу.

Несмотря на то, что мы можем все полнее и подробнее объяснить окружающий мир, вопросов со временем становится все больше. Ученые устремляют мысли и приборы в глубины Вселенной и дебри атомов, находя там такие вещи, которые пока не поддаются объяснению.

Нерешенные проблемы физики

Часть актуальных и нерешенных вопросов современной физики носит чисто теоретический характер. Некоторые проблемы теоретической физики просто невозможно проверить экспериментально. Еще одна часть – это вопросы, связанные с экспериментами.

Ответ на вопрос смысла жизни, Вселенной и всего такого

Темная энергия и будущее Вселенной

Согласно сегодняшним представлениям Вселенная расширяется. Причем по данным анализа реликтового излучения и излучения сверхновых, расширяется с ускорением. Расширения происходит за счет темной энергии. Темная энергия – это неопределенный вид энергии, который был введен в модель Вселенной для объяснения ускоренного расширения. Темная энергия не взаимодействует с материей известными нам способами, и ее природа – большая загадка. Есть два представления о темной энергии:

Согласно первому она заполняет Вселенную равномерно, то есть является космологической константой и имеет постоянную энергетическую плотность.
Согласно второму динамическая плотность темной энергии меняется в пространстве и времени.

В зависимости от того, какое из представлений о темной энергии верно, можно предположить дальнейшую судьбу Вселенной. Если плотность темной энергии растет, то нас ждет Большой разрыв, в котором вся материя развалится.

Еще один вариант – Большое сжатие, когда гравитационные силы победят, расширение остановится и сменится сжатием. При таком сценарии все, что было во Вселенной, сначала коллапсирует в отдельные черные дыры, а потом схлопнется в одну общую сингулярность.

Множество неразрешенных вопросов связано с черными дырами и их излучением. Читайте отдельную статью об этих загадочных объектах.

Материя и антиматерия

Все, что мы наблюдаем вокруг себя – материя, состоящая из частиц. Антиматерия – это вещество, состоящее из античастиц. Античастица – это двойник частицы. Единственное отличие частицы и античастицы – это заряд. Например, заряд электрона – отрицательный, тогда как его двойник из мира античастиц – позитрон – имеет такой же по величине положительный заряд. Получить античастицы можно в ускорителях частиц, однако никто не встречал их в природе.

При взаимодействии (столкновении) материя и антиматерия аннигилируют, в результате образуются фотоны. Почему во Вселенной преобладает именно вещество – большой вопрос современной физики. Предполагается, что эта асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого взрыва.

Ведь если бы вещества и антивещества было поровну, все частицы бы аннигилировали, оставив в результате только фотоны. Есть предположения, что дальние и совсем неизученные области Вселенной заполнены антивеществом. Но так ли это, еще предстоит выяснить, проведя огромную мозговую работу.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Электрон и позитрон

Теория всего

Есть ли теория, которая может объяснить абсолютно все физические явления на элементарном уровне? Наверное, есть. Другой вопрос - можем ли мы до нее додуматься. Теория всего, или Теория Великого объединения – это теория, которая объясняет значения всех известных физических констант и объединяет 5 фундаментальных взаимодействий:

сильное взаимодействие;
слабое взаимодействие;
электромагнитное взаимодействие;
гравитационное взаимодействие;
поле Хиггса.

Кстати, о том, что такое бозон Хиггса и почему он так важен, вы можете почитать в нашем блоге.

Среди множества предложенных теорий всего ни одна не прошла экспериментальную проверку. Одним из самых перспективных направлений в этом вопросе является объединение квантовой механики и общей теории относительности в теорию квантовой гравитации. Однако данные теории имеют разные области применения, и пока что все попытки их объединения приводят к расходимости, которую не удается убрать.

Сколько существует измерений?

Мы привыкли к трехмерному миру. Можем двигаться в известных нам трех измерениях вперед-назад, вверх и вниз, чувствуя себя комфортно. Однако существует M-теория, согласно которой есть аж 11 измерений, лишь 3 из которых доступны нам.

Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными.

Что говорить о далеком космосе, когда знаем далеко не все о нашем родном доме. Например, до сих пор нет четкого объяснения происхождению магнитного поля Земли и периодической инверсии его полюсов.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ

Анонс. Научная общественность имеет право знать катастрофическое положение современной теоретической физики и причины, которые привели её к такому состоянию.

Актуальные - значит очень важные для данного времени. Они должны быть сформулированы, опубликованы и должны обсуждаться научной общественностью. Вполне естественно, что сделать это – обязанность, прежде всего, академической элиты. Однако, научная общественность не только России, но и всего мира не владеет такой информацией. Поэтому есть основания обозначить эти проблемы и опубликовать их.

Наиболее обширная международная дискуссия ведётся сейчас по достоверности физических теорий ХХ века. И это естественно, так как теория – основной инструмент интерпретации экспериментов. Ошибочная теория приводит к ошибочной интерпретации экспериментов и формирует ошибочные представления о физических явлениях и процессах, управляющих формированием их результатов.

Трагедия физиков-теоретиков состоит в том, что они до сих пор не поняли, что авторитет учёного – самый ненадёжный критерий достоверности научного результата. Они также не обратили внимание на то, что в Природе существуют естественные критерии оценки достоверности физических теорий. Это аксиомы – очевидные утверждения, не имеющие исключений и не требующие экспериментальных доказательств. Первые аксиомы, как критерии научной достоверности, сформулировал Евклид в III веке до нашей эры и они до сих пор являются фундаментом точных наук.

Однако, аксиоматика Евклида оказалась неполной. В ней отсутствовала аксиома, в которой были бы отражены главные свойства первичных элементов мироздания: пространства, материи и времени и их взаимосвязь. Суть взаимосвязи этих элементов заключается в том, что они существуют независимо друг от друга в неразделённом состоянии. Из этого следует, что перемещение любого материального объекта в пространстве – всегда функция времени. Выполнение этого требования автоматически приводит к ошибочности тех математических моделей, в которых координата и время – независимые переменные. Это, прежде всего, преобразования Лоренца - фундамент псевдоевклидовых геометрий. Преобразования Лоренца уже вошли в историю науки, как самый мощный теоретический вирус, заразивший почти все физические теории ХХ века, в том числе и обе теории относительности А. Эйнштейна. Волновые уравнения Максвелла и Луи Де Бройля, уравнения Шредингера и Дирака, и целый ряд более молодых физических теорий ХХ века также противоречат аксиоматическому требованию единства пространства, материи и времени. Аксиома Единства уже отправила на полку истории науки все эти теории и нет силы, способной возвратить к ним научный интерес будущих поколений ученых.

Экспериментаторы установили, что главный параметр электромагнитных излучений – длина волны изменяется в интервале 24 порядков, а уравнения Максвелла позволяют рассчитывать параметры антенн, передающих и принимающих электромагнитную информацию, лишь в интервале двух порядков и это не удивительно, так они противоречат аксиоме Единства.

Самый мощный массив экспериментальной информации, полученной человечеством, – в спектрах атомов, ионов и молекул. Однако, постулат Бора об орбитальном движении электрона в атоме, позволяет рассчитывать точно, лишь спектр атома водорода. Спектр первого электрона атома гелия, не говоря о спектрах всех остальных химических элементов, постулат Бора уже не позволяет рассчитывать. Для этого были разработаны приближённые методы расчёта, которые базируются на уравнениях Максвелла и Шредингера, противоречащих аксиоме Единства, и поэтому не заслуживающих какого-либо доверия. Не случайно, ни физики, ни химики до сих пор не знают, как атомы соединяются в молекулы и как при этом изменяются энергии связи их валентных электронов.

Одновременное использование понятий электромагнитное излучение и излучение фотонов электронами – самое парадоксальное явление физики ХХ века. И ни один физик мира не знает, когда излучаются электромагнитные волны Максвелла, а когда – фотоны. Все физики смирились с абсурдностью такой ситуации и не обращают на неё внимание.

Максимум спектра реликтового излучения формируют фотоны, излучаемые электронами при синтезе атомов водорода в звёздах Вселенной, а два других экстремума – фотоны, излучаемые при синтезе молекул водорода и при их сжижении по мере удаления от звёзд. Астрофизики до сих трубят о существовании Чёрных дыр и продолжают рассчитывать их радиусы по формуле Шварцшильда, которая не содержит длины волны излучения. В результате плотность Шварцильдовских Чёрных дыр оказывается на 35 порядков больше плотности ядер атомов. Из изложенного однозначно следует ошибочность большей части астрофизической информации.

До сих пор считается, что все явления электростатики – результат взаимодействия положительных (протонов) и отрицательных (электронов) зарядов электричества. При этом полностью игнорируется тот факт, что соседство электронов и протонов автоматически заканчивается формированием атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии при температуре до 10000 град. Из этого следует, что все явления и процессы электростатики не могут формироваться электронами и протонами. Аналогичное положение и с движением положительных и отрицательных электрических зарядов по проводам. По проводам движутся только электроны, нет там протонов и быть не может по указанной выше причине.

Ещё больше проблем с ядрами атомов. До сих пор нет объяснений наиболее заметным экспериментальным фактам. Почему сто процентов устойчивых ядер четвертого химического элемента бериллия имеют 5 нейтронов? Почему графит, состоящий из чистого углерода, пишет по бумаге, а алмаз, также состоящий из углерода, - режет стекло? Почему спектр атома кальция, двадцатого химического элемента, появляется в спектрах молодых звёзд после спектра атома азота, опережая все остальные химические элементы, стоящие перед ним в таблице химических элементов? Где берут современные курицы кальций для строительства скорлупы яиц, годовой вес которой превышает 2,5 кг?

Почему существует граница предельно низкой температуры? Почему границы экспериментальной зависимости излучения абсолютно чёрного тела не зависят от материала этого тела?

1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. Последнее издание. 1050с.

Дифракция в нашей жизни (в быту)

формат docx
размер 28.59 КБ
добавлен 27 декабря 2010 г.

Дифракция в нашей жизни(в быту) 7 страниц. Дифракцию света по Френелю. Явление интерференции. Поляризации волн. Примеры дифракции. МГУ им. Огарева. кафедра физики.2 курс

История изучения капиллярных и поверхностных сил

формат doc
размер 395 КБ
добавлен 25 апреля 2011 г.

СПбГУ, Комаров И. В., каф. - вычислительной физики. До появления теорий Юнга и Лапласа. Теории Юнга и Лапласа. Теория капиллярности Гиббса. Развитие и обобщение теории капиллярности Гиббса. Развитие новых направлений в термодинамике поверхностных явлений.

Квантовая механика. Начальные условия физики твердого тела

формат doc
размер 7.51 КБ
добавлен 19 марта 2010 г.

Квантовая механика. Введение в начальные условия физики твердого тела. Физики твердого тела. Квантовая механика.

Пузырек газа в жидкости

формат docx
размер 354.52 КБ
добавлен 26 апреля 2011 г.

СГАУ им. С. П. Королева, специальность: "Механика. Прикладная математика", 4 курс, Современные проблемы механики. Содержание Уравнения механики бесстолкновительной монодисперсной смеси; Уравнения сохранения масс фаз; Уравнения совместного деформирования фаз; Сферически симметричное движение несжимаемой жидкости вокруг пузырька; Сила, действующая на частицу со стороны несущей жидкости; Различные формы записи уравнений импульсов фаз; Уравнения гидр.

Реактивные двигатели и основы работы тепловой машины

формат doc
размер 21.32 КБ
добавлен 30 сентября 2008 г.

Решение задач на определение подъемной силы воздушного шара

формат ppt
размер 708.5 КБ
добавлен 21 марта 2010 г.

Дан ход урока физики "Решение задач на определение подъемной силы воздушного шара"с использованием программы Excel

Тепловое излучение

формат pptx
размер 1.08 МБ
добавлен 06 декабря 2010 г.

В конце XIX – начале XX в. Был открыт и изучен экспериментально ряд явлений, таких, как тепловое излучение, фотоэффект Комптона и т. д. Эти явления нельзя было истолковать в рамках электродинамики Максвелла. В физике создалась ситуация, которую назвали кризисом классической физики. Разрешение этой проблемы привело к возникновению квантовой теории. Создание современной квантовой теории началось с изучения закономерностей теплового излучения.

Точечные дефекты в твердых телах

формат ppt
размер 369.5 КБ
добавлен 12 октября 2011 г.

Черкасский Национальный Университет им. Богдана Хмельницкого, Украина, Гусак А.М. 2010 г. Физика Твердого Тела Даная работа была представленна на курсе физики твёрдого тела, в Черкаском национальном университете им. Б. Хмельницкого. При изучении раздела Структура и тепловые свойства кристаллов, на 4 курсе студентами физиками. В работе представленно два типа точечных дефектов по Френкелю и Шоттки

Углеродные нанотрубки

формат ppt
размер 7.28 МБ
добавлен 30 мая 2011 г.

Даная работа была представленна на курсе физики твёрдого тела, в Черкаском национальном университете им. Б. Хмельницкого. При изучении раздела Структура и тепловые свойства кристаллов, на 4 курсе студентами физиками.

Характеристика чугунов

формат doc
размер 340 КБ
добавлен 26 марта 2011 г.

Кемеровский государственный университет Кафедра экспериментальной физики Общая характеристика чугунов Диаграмма состояний железо-углерод Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов Микроструктура чугунов Классификации чугунов Классификация чугунов по химическому составу Классификация чугунов по структуре и условиям образования графита Классификация чугунов по свойствам Общая характеристика серых чугунов Микроструктура серых чугунов стр 12

Читайте также: