Сообщение на тему современная физическая картина мира
Обновлено: 30.06.2024
Физика (от греч. physis–природа) - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.
Физическая картина мира в самом общем смысле представляет собой физическую модель природы, включающую в себя:
- основополагающие философские и физические идеи
- фундаментальные физические теории
- основные принципы, законы и понятия
- принципы и методы познания
Физическая картина мира, с одной стороны, есть обобщение всех ранее полученных знаний о природе и определенная ступень познания человеком материального мира и его закономерностей, а с другой – вводит в физику новые основополагающие идеи, принципы, понятия и гипотезы, которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания, и тогда одна физическая картина мира заменяется другой.
Смена физической картины мира, как правило, связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым, континуальным, а затем к квантовым. Отсюда и три физических картины мира: механистическая, электромагнитная и квантово-полевая.
Механистическая картина мира.
Основоположники: механика Леонардо да Винчи (1452-1519), гелиоцентрическая система Н. Коперника (1473-1543), экспериментальное естествознание Г. Галилея (1564-1642), законы небесной механики И. Кеплера (1571-1630), механика И. Ньютона (1643-1727).
1. Корпускулярная модель реальности: материя – вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул; атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.
2. Концепция абсолютного пространства и времени.
3. Движение – простое механическое перемещение. Законы движения – фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения есть действие на их внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей.
4. Принцип дальнодействия – взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.
5. Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Детерминизм (лат. determino – определяю) – учение о закономерной универсальной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений объективной действительности. Случайность исключается из данной картины мира.
6. Тенденция сведения закономерностей высших форм движения материи к закономерностям простейшей его формы – механическому движению.
7. Использование динамических законов. Динамический закон – физический закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний.
Электромагнитная картина мира.
Основоположники: начала электромагнетизма М.Фарадея (1791-1867), теория электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879), электронная теория Г.А. Лоренца (1853-1928), постулаты теории относительности А. Эйнштейна (1879 - 1955).
1. Континуальная модель реальности: материя – едино непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем, а мир понимается как электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
2. Введено понятие вероятности.
3. Движение – распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики.
4. Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.
5. Реляционная концепция пространства и времени.
Квантово-полевая картина мира.
1. Квантово-полевые представления о материи, где последняя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы.
2. Картина физической реальности в квантовой механике двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта; с другой стороны – условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик.
3. При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы.
4. Движение – частный случай физического взаимодействия. Под физическим взаимодействием в узком смысле слова, понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.
5. Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности. Принцип дополнительности был сформулирован Н. Бором в 1927 г., который заключается в том, что в области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы выражаются с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другого. Этот принцип применяется практически во всех областях науки и методах, изучающих неживую и живую природу, человека, общество.
Принцип неопределенности был сформулирован В. Гейзенбергом, который заключается в том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Микрочастица не может иметь одновременно координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию ?x ? ?p ≥ h,
где h – постоянная Планка,
т.е. произведение этих неопределенностей не может быть меньше h.
6. Квантово-полевые представления о закономерности и причинности предполагают оперирование статистическими законами. Статистический закон – это физический закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении.
Современная физическая картина мира.
1. Современные представления о строении материи предполагают в ее основе шестнадцать фундаментальных частиц и античастиц:
- четыре лептона (электрон, позитрон, электронное нейтрино и антинейтрино);
- два вида кварков с дробными электрическими зарядами (-1/3) и (+2/3), причем каждый вид в трех разновидностях (красный, зеленый и синий);
2. Многообразие и единство мира основывается на взаимодействии и взаимопревращении фундаментальных частиц и античастиц.
3. Движение есть проявление фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного), переносчиками которых являются фотоны, глюоны и промежуточные бозоны.
Характеристики фундаментальных взаимодействий
| Тип взаимо-действия | Источник | Константа взаимо-действия | Радиус действия (м) | Частицы – переносчи-ки взаимо-действия |
| Гравита-ционное | Масса | 10 -38 | ∞ | |
| Электро-магнитное | Электри-чески заряжен-ные частицы | 10 -2 | ∞ | фотон |
| Сильное | Частицы, входящие в состав ядер (протоны, нейтроны) | 10 -15 | глюоны | |
| Слабое | Элемен-тарные частицы | 10 -14 | 10 -18 | векторные бозоны W - , W + , Z 0 |
5. Природа рассматривается в движении и развитии. В физике используется диалектический метод, когда вещество и поле, частица и волна, масса и энергия и т.д. рассматриваются в диалектическом единстве.
6. Принципиальные особенности современных представлений о мире: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность – определяют их общий контур и способ организации научного знания.
7. Современные представления характеризуются как научно-методологические, ибо объективная картина мира опосредуется методом познания субъекта.
Физическая реальность имеет определенную структуру:
1. Мегамир – мир больших космических масштабов и скоростей; пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время измеряется в миллионах и миллиардах лет.
2. Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле; пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах; время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.
3. Микромир – мир микрообъектов, предельно малых масштабов, пространственные характеристики исчисляются от 10 -8 до 10 -16 см, время измеряется от бесконечности до 10 -24 см.
1. Эволюция основных физических парадигм:
1.1 механистическая картина мира;
1.2 электромагнитная картина мира;
1.3 квантово-полевая картина мира.
2. Понятие физического закона. Динамические и статистические закономерности, их специфика.
3. Физическая реальность и ее структура. Микро-, макро- мега уровни физической реальности, их специфика и взаимосвязь.
4. Вещество и поле – основные состояния вещества. Прерывность и непрерывность в классической и неклассической физике.
5. Физические взаимодействия. Концепции близко- и дальнодействия. Основные типы физических взаимодействий.
Примерные вопросы для повторения и самопроверки
1. Почему физику называют фундаментальной наукой?
2. Какую роль играют физические взаимодействия в образовании новых структур?
3. Какие два подхода существуют в настоящее время для описания мира? Почему возникает необходимость гармонизации этих подходов и холизма в современном естествознании?
4. Что такое физический закон? Чем отличается динамические закономерности от статистических?
Физическая картина мира как представление о мире и его процессах, выработанной физикой на основе эмпирического исследования и теоретического осмысления. Смена представлений о материи. Механистическая, электромагнитная и квантово-полевая картина мира.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.02.2012 |
| Размер файла | 2,4 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Современная физическая картина мира
Содержание
-
Введение
- Современная физическая картина мира
- Заключение
- Список литературы
Введение
Картина мира - это целостное миропонимание, синтезирующее знания на основе систематизирующего начала (научного принципа, идеи, религиозного догмата и т.д.), который определяет мировоззренческую установку человека, его ценностные поведенческие ориентиры.
Словосочетание "научная картина мира" подразумевает некую аналогию между совокупностью описывающих реальный мир научных абстракций и неким "живописным полотном", на котором художник компактно разместил все предметы мира. Как и все прочие аналогии, эта довольно приблизительно отражает суть дела, но, тем не менее, такое словосочетание обладает удивительным свойством - оно позволяет разворачивать "живописное полотно" подробнее, и при этом сходство с объектом аналогии сохраняется.
Цель работы - рассмотреть современную физическую картину мира.
Современная физическая картина мира
Естественно, что на разных этапах развития науки это знание по-разному интерпретировала внешний мир. Античная, Ньютоновская и современные физические картины мира очень сильно различаются по своей форме и внутреннему содержанию, и количественно, и качественно.
На рисунке 1 схематично представлены основы современной физической картины мира. Новоженов В.А. Концепции современного естествознания. - М.: Наука, 2008.С. 156.
Рисунок 1. Физическая картина мира
Схема физической картины мира связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым, континуальным, а затем к квантовым. Отсюда и три физических картины мира: механистическая, электромагнитная и квантово-полевая. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - Усурийск: УГАТУ, 2007.С. 120.
1) Механистическая картина мира, в отличие от античной картины мира, явилась фактически первой глобальной картиной мира.
Рисунок 2. Механистическая картина мира
В рамках данной картины мира все события и перемены были взаимосвязаны и взаимообусловлены механическим движением.
2) Возникновение электромагнитной картины мира характеризует качественно новый этап эволюции науки.
Рисунок 3. Электромагнитная картина мира
Сравнение данной картины мира с механистической выявляет некоторые важные особенности. Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. - СПб.: Питер, 2009.С. 231.
Например,
Подобная взаимодополнительность картин не является случайностью. Она носит строго эволюционный порядок.
3) Квантово-полевая картина мира.
Данная картина мира явилась результатом дальнейшего развития электромагнитной картины мира.
Рисунок 4. Квантово-полевая картина мира
Эта картина мира отражает уже единство двух предыдущих картин мира в единстве на основе принципа дополнительности.
Современная физическая картина мира состоит из системы недоступных наблюдению уравнений, значение которых трудно для понимания, оно не является более "картиной". Прежде всего, стало совершенно абстрактным понятие материальной действительности. Но согласно Планку, прогрессирующее удаление физической картины мира от мира чувственного означает нечто иное, как увеличивающееся приближение к реальной действительности.
В современной физике энергия и материя сливаются в понятии поля. Теория поля - это способ рассмотрения новейшей физики, согласно которому не существует "сил, действующих на расстоянии", по некоторой посредствующей субстанции (следовательно, также без некоего "эфира"). Напротив, каждая сила создает вокруг себя "поле" (т.е. сила состоит в создании поля), распространяющееся по способу континуума и действующее на любое тело (а также испытывающее действие любого тела), помещенное в данное поле. Пустое само по себе пространство обладает единственным свойством содержать в себе поля. По трем видам сил, известных в настоящее время, различают гравитационные поля (сила тяготения тяжелых масс), электромагнитные поля (силы притяжения и отталкивания электрически заряженных тел, силы притяжения магнитных тел) и поля ядерных сил (силы притяжения нуклонов, составляющее атомное ядро т.е. протонов и нейтронов). Бочкарёв А.И., Бочкарёва Т.С., Саксонов С.В. Концепции современного естествознания. - М.: Наука, 2008.С. 134.
Поскольку всякая энергия одновременно представляет собой некоторую массу, а всякая масса - некоторую энергию, то и всякое поле представляет определенную массу, например электрическое поле, создаваемое электроном. Теория поля приравнивает массу, представленной энергией поля, к массе электрона так что обе совпадают в поле. Если бы даже существовало наглядное различие между материей электрона и его силовым полем, то это бы не изменило физической картины. Энергия и материя сливаются в понятие поля, которое охватывает и ту и другую. Математическая функция описывает изменения напряжения поля в пространстве. Напряжение поля это единственная физическая реальность. Если напряжение поля возрастает в узкой области пространства со всех сторон, подходя к экстремально высокому значению, то мы выражаем это, говоря, что в данном месте находится электрон и, следовательно, материальная частица. Материя есть не что иное, как сингулярности поля (узлы поля).
физическая картина мир механистическая
Заключение
Физическая картина мира - представление о мире и его процессах, выработанной физикой на основе эмпирического исследования и теоретического осмысления.
Физическая картина мира следует за ходом развития науки; сначала она основывалась на механики атома (атомизм), затем - на механике сил (динамизм, энергетизм), а в наши дни на - представлении о неразрывной связи пространства и времени, а также силы и материи, на понимании совокупности условий микрофизики, статистического характера физических законов и двойственной природы материи.
Физическая картина мира, развиваемая на основе этого физического учения, все сильнее теряла характер наглядности; качественные различия все более сводились к количественным.
Список литературы
1. Бочкарёв А.И., Бочкарёва Т.С., Саксонов С.В. Концепции современного естествознания. - М.: Наука, 2008.
2. Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. - СПб.: Питер, 2009.
3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - Усурийск: УГАТУ, 2007.
4. Новоженов В.А. Концепции современного естествознания. - М.: Наука, 2008.
Подобные документы
Естествознание в Европе и в России. Механическая картина мира (классическая и универсальная). Электромагнитная картина мира. Развитие теории электромагнитного поля Д. Максвелла. Квантово-полевая картина мира. Дифференцированное изучение природы.
контрольная работа [23,8 K], добавлен 16.06.2012
Под картиной мира понимается целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях. Различают общенаучную, естественно-научную, социально-историческую, специальную, механическую, электромагнитную и квантово-полевую картины мира.
реферат [109,7 K], добавлен 18.01.2009
Понятие "научная картина мира". Физика как ведущая дисциплина в классической научной картине мира. Историческая смена физических картин мира. Современная картина мира. Главный предмет синергетики. Исторические формы проблемы происхождения жизни.
контрольная работа [24,6 K], добавлен 04.02.2010
Научные картины мира и научные революции в истории естествознания. Изучение физической картины мира в ее развитии. Явления электричества и магнетизма. Квантово-релятивистская физическая картина мира, законы электродинамики. Общая теория относительности.
реферат [30,1 K], добавлен 11.02.2011
История науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI–XVII вв., было связано с развитием физики. Механистическая, электромагнитная картины мира. Становление современной физической картины мира. Материальный мир.
реферат [15,1 K], добавлен 06.07.2008
Реферат рассматривается эволюция с точки зрения синергетики. Естественно - научная картина мира. Механическая картина мира. Электромагнитная картина мира. Концепция необратимости и термодинамики. Концепция эволюции в биологии.
реферат [14,7 K], добавлен 20.11.2003
Естественнонаучная картина мира как целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Эволюция естественнонаучной картины мира в истории человечества. Предпосылки, влияющие на развитие новых научных представлений.
В процессе познания окружающей среды и изучения мира, человек в своем сознании создает определенную картину мира. Картина мира в процессе развития человечества менялась, представление об окружающем мире первобытного человека отличалось от картины мира человека в другие периоды его развития. К тому же, каждый человек по-своему представляет окружающий мир в зависимости от окружения, воспитания, религии, духовного развития и т.д. Отсюда возникновение различных картин мира. Помимо этого, каждая отдельно взятая наука может формировать свою картину мира, например, физическая картина мира, химическая, биологическая и т.д.
Однако, не смотря на все многообразие картин мира, которые существуют в современной науке, наиболее общее представление дает общая научная картина мира. Она описывает общество, человека и природу.
Научная картина мира сформировалась на основе достижений общественных, гуманитарных, естественных наук, но ее фундаментом по праву считается естествознание. Вклад естествознания в развитие научной картины мира является таким большим, что часто научную картину мира отождествляют с естественно-научной.
Естественно – научная картина мира – это исторически сформировавшееся в процессе естествознания достоверное знание о природе. Данная картина мира включает в себя знания из всех естественных наук, в тои числе их фундаментальные идеи, теории.
Физика в естественно-научной картине мира
Однако известно, что исторически в естествознании преобладают знания физической науки, и физика до сих пор считается самой развитой и систематизированной наукой. Вклад остальных естественных наук в процесс становления естественно-научной картины мира, особенно в период возникновения мировоззрения европейской цивилизации Нового времени, был гораздо меньше. Поэтому обращение к физике в период становления классической естественно-научной картины мира является закономерным. Концепции физики и ее аргументы в большой степени определили естественно-научную картину мира.
Готовые работы на аналогичную тему
Физика, в отличие от других естественных наук, благодаря высокой степени разработанности, смогла создать свою собственную картину мира – физическую. Остальные естественные науки смогли это сделать лишь в ХХ веке.
Физика – это наука, которая занимается изучением простейших и в то же время наиболее общих закономерностей природы, каких как, законы движения материи, ее свойства и строение.
Физика ищет в каждом явлении природы факторы, объединяющие его с другими. Поэтому законы и понятия физики являются основополагающими, фундаментальными для всего естествознания.
Физика является экспериментальной наукой, ее законы основываются на фактах, установленных путем опытов и экспериментов. Кроме того, различают теоретическую физику, ее целью является формулирование законов природы. Существование экспериментальной и теоретической физики друг без друга невозможно.
В зависимости от объектов изучения, физика делится на следующие разделы:
- Физика элементарных частиц
- Физика ядра
- Физика атомов и молекул
- Физика газов и жидкостей
- Физика твердого тела
- Физика плазмы.
По уровню организации материи физика делится на:
- Физику макромира
- Физику микромира
- Физику мегамира.
По характеру изучаемых явлений, процессов и форм взаимодействия различают следующие области физики:
- Механика
- Электродинамика
- Квантовая физика
- Теория гравитации
- Термодинамика
- Статистическая физика.
Физическая картина мира
С относительно недавних пор понятие "физическая картина мира" рассматривается не только как результат развития физического знания, но и как самостоятельный вид знания. Физическая картина мира, наряду с тем, что обобщает все полученные ранее знания о природе и систематизирует их, еще и вводит в физическую науку новые философские идеи, способные существенным образом менять основы физического знания. Таким образом, физическая картина мира – это такая физическая модель природы, в состав которой входят основополагающие физические и философские идеи, теории, общие понятие и принципы, методы познания.
Процессом развития физической картины мира является постоянное развитие других картин мира, отражающих структуру и свойства материи.
Качественное изменение основополагающих физических идей, составляющих базу для физической теории – это основа для выделения отдельных типов физической картины мира. Каждое изменение физической картины мира дает начало нового этапа в развитии физики. В рамках каждого этапа идет эволюционное развитие физики, то есть картина мира не меняется, просто возникает возможность выдвижения новых теорий, уже заложенных в существующей картине мира. В результате изменения ключевых понятий картины мира происходит революция в физике, в результате которой возникает новая физическая картина мира.
Основой объяснения природных явлений с точки зрения физической науки являются такие фундаментальные понятия и принципы, как: материя, движение, пространство и время, место и роль человека в мире, причинно-следственные связи.
Понятие материи является ключевым, именно поэтому изменения представлений о строении материи приводят к революции в физике. Исторически, такие революции происходили два раза. Первая произошла в 19 веке, когда случился переход от атомистических представлений о материи к полевым. Вторая революция произошла в 20 веке, когда полевые представления сменились квантовыми. Следовательно, можно выделить три физические картины мира, сменявшие друг друга - механическая, затем электромагнитная и квантовая.
К настоящему времени физическая наука достигла грандиозных успехов и продолжает развиваться. Дело не в том, что интеллект человека изменился, а в том, что каждое новое поколение ученых опирается на знание и опыт, накопленные предыдущими поколениями, и делает свой более широкий шаг в познании мира. Ньютон говорил в свое время: “Если я увидел больше других, то только потому, что стоял на плечах гигантов”. Со временем фундаментальных открытий Ньютона прошло чуть больше трех столетий. Достижения физической науки сделали ее притягательной для молодежи. 90% ученых, когда-либо живших на Земле, наши современники. Сократилось время от научных разработок до внедрения их в практику. И хотя физика как наука молода в масштабе многовековой истории человечества, многое достигнуто в познании физической картины мира.
По современным представлениям материя реализуется в двух формах: вещество и поле. Они находятся в постоянном взаимодействии и претерпевают взаимопревращения на элементарном уровне.
Все виды взаимодействий можно разделить на четыре группы (относительная их величина показана в сравнении с гравитационным взаимодействием):
- слабое (для элементарных частиц) - 10 27
- электромагнитное - 10 38
- сильное (ядерное) - 10 40
Гравитационное взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном в 1687 году. Слабое взаимодействие обнаружено Ферми при β-распаде элементарных частиц и ядер в 30-х годах 20 века.
Электромагнитные силы известны с древности (взаимодействие магнитов, наэлектризованных тел) и изучены Кулоном, Фарадеем, Максвеллом, Лоренцем и др. Эти силы действуют на большие расстояния. Сильное ядерное взаимодействие проявляется между нуклонами в ядре (1930 г.), хотя между протонами есть и электрическое отталкивание.
Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными силами природы и объясняют большую часть явлений в макромире (во Вселенной). Природу сил, известных из механики, например, силы упругости, трения и др., также можно объяснить молекулярным взаимодействием и, следовательно, отнести к электромагнитным. Сильные и слабые взаимодействия объясняют явление в микромире. Другим важнейшим свойством законов природы является свойство симметрии. Оно выражается, например, в том, что ход часов будет одинаков и на Земле и на Луне и в других системах. Если часы в этом году стали идти иначе, чем в прошлом, то это означает, что они испортились, а не изменились свойства физического мира. Равномерность хода времени означает, что относительная скорость всех процессов в природе постоянна. Равномерность хода времени установлена экспериментально с большой точностью на примере излучения света. Атомы наблюдаемых звезд и земных источников испускают свет на одинаковых частотах и длинах волн даже, если этот свет был испущен в далеком прошлом (например, наблюдение сверхновых звезд). Эти закономерности относятся ко всем явлениям в природе, в том числе и к биологическим. Речь идет о всеобъемлющем свойстве природы: все законы природы инвариантны (неизменны) относительно переноса в пространстве и времени и относительно поворота в пространстве. Это обстоятельство и называется симметрией законов природы. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса выполняются благодаря симметрии в природе.
Кроме этого существует также зеркальная симметрия пространства, зарядово-зеркальная симметрия (электрон-позитрон, протон-антипротон, атом - антиатом, вещество - антивещество). Законы природы допускают существование антимиров.
где - электронное нейтрино (антинейтрино), - мюонное нейтрино (антинейтрино).
Сейчас кандидатами на роль элементарных частиц являются лептоны, участвующие в любом взаимодействии (ответственном за радиоактивный распад), и кварки, из которых состоят протоны, нейтроны и другие, сильно взаимодействующие частицы.
Лептонов сейчас известно шесть: электрон, мюон и таон и три соответствующие им нейтрино: . Мюон очень похож по своим свойствам на электрон, но масса покоя у него почти в 200 раз больше. Таон имеет массу еще большую . Электрон стабилен в отношении распада на другие частицы. Мюон испытывает бета распад, время его жизни ~10 -6 с. У таона ~10 -13 с.
Кварки – это необычные частицы, из которых построены протоны, нейтроны, гипероны и др. частицы. Кварки имеют электрические заряды, кратные е/3. Согласно кварк-лептонной симметрии природы, их (как и лептонов) должно быть шесть (к настоящему времени все открыты): верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелестный – такие у них названия. Протон и нейтрон состоят из 3-х кварков. Все нуклоны имеют сложное строение.
Все элементарные частицы имеют полуцелый спин (фермионы).
Для чего ученые пытаются понять элементарную структуру материи? Для того, чтобы выяснить фундаментальные законы природы, из которых как частные случаи вытекали бы сегодня изучаемые нами законы. Природа едина и законы должны быть едиными – это понимали еще во времена Эйнштейна. Сейчас, например, уже можно указать на единый обменный характер электромагнитных и слабых взаимодействий (электрослабое взаимодействие). Обособленным пока осталось сильное взаимодействие.
Итак, составными элементами материи считаются 6 кварков и столько же лептонов. Разные взаимодействия между этими фундаментальными частицами возникают за счет обмена переносчиками (квантами) взаимодействия: фотонами, глюонами, бозонами и гравитонами.
Еще одна частица-нейтрон (время жизни ~ 15 минут) также рождается в реакциях и может участвовать в ядерных процессах цикла нейтронного захвата при более низких температурах:
Итак, ядра гелия образовались в огненном шаре за несколько секунд после взрыва. Шар имел в основном водородный состав с гелием (30 %) и небольшой примесью Li, Ве (атмосфера нынешних звезд).
и т.д.
Образование элементов тяжелее железа пока не имеет достаточно ясного объяснения. Возможно, что это происходит при взрывах красных гигантов или ядер галактик, которые иногда наблюдают. При этом могут возникать тяжелые ядра, рассеиваемые в пространстве (образование ядер калифорния-254 наблюдалось, например, при ядерных испытаниях США). В результате взрыва появляются сверхновые звезды (в 1054 г. в созвездии Тельца вспыхнула Сверхновая звезда и, затухая, превратилась в огромную Крабовидную туманность диаметром 10 12 км). Такие явления в нашей Галактике наблюдались в 1572 г. и 1604 г. Последний раз вспышку сверхновой звезды наблюдали в феврале 1987 г. Свет от нее шел до Земли 170 тысяч лет. У астрономов появилась возможность изучить сверхновую в разных ее стадиях. А это ключ к проверке теории эволюции Вселенной.
Изучение структуры элементов материи поможет понять ее свойства (в последнее время во Вселенной открыта так называемая темная материя, масса которой является преобладающей, а природа ее неясна). Огромной проблемой существования цивилизации остается энергетическая проблема и др. Все ускоряющиеся темпы научного прогресса позволяют нам оставаться оптимистами в решении стоящих перед человечеством проблем.
К настоящему времени физическая наука достигла грандиозных успехов и продолжает развиваться. Дело не в том, что интеллект человека изменился, а в том, что каждое новое поколение ученых опирается на знание и опыт, накопленные предыдущими поколениями, и делает свой более широкий шаг в познании мира. Ньютон говорил в свое время: “Если я увидел больше других, то только потому, что стоял на плечах гигантов”. Со временем фундаментальных открытий Ньютона прошло чуть больше трех столетий. Достижения физической науки сделали ее притягательной для молодежи. 90% ученых, когда-либо живших на Земле, наши современники. Сократилось время от научных разработок до внедрения их в практику. И хотя физика как наука молода в масштабе многовековой истории человечества, многое достигнуто в познании физической картины мира.
По современным представлениям материя реализуется в двух формах: вещество и поле. Они находятся в постоянном взаимодействии и претерпевают взаимопревращения на элементарном уровне.
Все виды взаимодействий можно разделить на четыре группы (относительная их величина показана в сравнении с гравитационным взаимодействием):
- слабое (для элементарных частиц) - 10 27
- электромагнитное - 10 38
- сильное (ядерное) - 10 40
Гравитационное взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном в 1687 году. Слабое взаимодействие обнаружено Ферми при β-распаде элементарных частиц и ядер в 30-х годах 20 века.
Электромагнитные силы известны с древности (взаимодействие магнитов, наэлектризованных тел) и изучены Кулоном, Фарадеем, Максвеллом, Лоренцем и др. Эти силы действуют на большие расстояния. Сильное ядерное взаимодействие проявляется между нуклонами в ядре (1930 г.), хотя между протонами есть и электрическое отталкивание.
Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными силами природы и объясняют большую часть явлений в макромире (во Вселенной). Природу сил, известных из механики, например, силы упругости, трения и др., также можно объяснить молекулярным взаимодействием и, следовательно, отнести к электромагнитным. Сильные и слабые взаимодействия объясняют явление в микромире. Другим важнейшим свойством законов природы является свойство симметрии. Оно выражается, например, в том, что ход часов будет одинаков и на Земле и на Луне и в других системах. Если часы в этом году стали идти иначе, чем в прошлом, то это означает, что они испортились, а не изменились свойства физического мира. Равномерность хода времени означает, что относительная скорость всех процессов в природе постоянна. Равномерность хода времени установлена экспериментально с большой точностью на примере излучения света. Атомы наблюдаемых звезд и земных источников испускают свет на одинаковых частотах и длинах волн даже, если этот свет был испущен в далеком прошлом (например, наблюдение сверхновых звезд). Эти закономерности относятся ко всем явлениям в природе, в том числе и к биологическим. Речь идет о всеобъемлющем свойстве природы: все законы природы инвариантны (неизменны) относительно переноса в пространстве и времени и относительно поворота в пространстве. Это обстоятельство и называется симметрией законов природы. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса выполняются благодаря симметрии в природе.
Кроме этого существует также зеркальная симметрия пространства, зарядово-зеркальная симметрия (электрон-позитрон, протон-антипротон, атом - антиатом, вещество - антивещество). Законы природы допускают существование антимиров.
где - электронное нейтрино (антинейтрино), - мюонное нейтрино (антинейтрино).
Сейчас кандидатами на роль элементарных частиц являются лептоны, участвующие в любом взаимодействии (ответственном за радиоактивный распад), и кварки, из которых состоят протоны, нейтроны и другие, сильно взаимодействующие частицы.
Лептонов сейчас известно шесть: электрон, мюон и таон и три соответствующие им нейтрино: . Мюон очень похож по своим свойствам на электрон, но масса покоя у него почти в 200 раз больше. Таон имеет массу еще большую . Электрон стабилен в отношении распада на другие частицы. Мюон испытывает бета распад, время его жизни ~10 -6 с. У таона ~10 -13 с.
Кварки – это необычные частицы, из которых построены протоны, нейтроны, гипероны и др. частицы. Кварки имеют электрические заряды, кратные е/3. Согласно кварк-лептонной симметрии природы, их (как и лептонов) должно быть шесть (к настоящему времени все открыты): верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелестный – такие у них названия. Протон и нейтрон состоят из 3-х кварков. Все нуклоны имеют сложное строение.
Все элементарные частицы имеют полуцелый спин (фермионы).
Для чего ученые пытаются понять элементарную структуру материи? Для того, чтобы выяснить фундаментальные законы природы, из которых как частные случаи вытекали бы сегодня изучаемые нами законы. Природа едина и законы должны быть едиными – это понимали еще во времена Эйнштейна. Сейчас, например, уже можно указать на единый обменный характер электромагнитных и слабых взаимодействий (электрослабое взаимодействие). Обособленным пока осталось сильное взаимодействие.
Итак, составными элементами материи считаются 6 кварков и столько же лептонов. Разные взаимодействия между этими фундаментальными частицами возникают за счет обмена переносчиками (квантами) взаимодействия: фотонами, глюонами, бозонами и гравитонами.
Еще одна частица-нейтрон (время жизни ~ 15 минут) также рождается в реакциях и может участвовать в ядерных процессах цикла нейтронного захвата при более низких температурах:
Итак, ядра гелия образовались в огненном шаре за несколько секунд после взрыва. Шар имел в основном водородный состав с гелием (30 %) и небольшой примесью Li, Ве (атмосфера нынешних звезд).
и т.д.
Образование элементов тяжелее железа пока не имеет достаточно ясного объяснения. Возможно, что это происходит при взрывах красных гигантов или ядер галактик, которые иногда наблюдают. При этом могут возникать тяжелые ядра, рассеиваемые в пространстве (образование ядер калифорния-254 наблюдалось, например, при ядерных испытаниях США). В результате взрыва появляются сверхновые звезды (в 1054 г. в созвездии Тельца вспыхнула Сверхновая звезда и, затухая, превратилась в огромную Крабовидную туманность диаметром 10 12 км). Такие явления в нашей Галактике наблюдались в 1572 г. и 1604 г. Последний раз вспышку сверхновой звезды наблюдали в феврале 1987 г. Свет от нее шел до Земли 170 тысяч лет. У астрономов появилась возможность изучить сверхновую в разных ее стадиях. А это ключ к проверке теории эволюции Вселенной.
Изучение структуры элементов материи поможет понять ее свойства (в последнее время во Вселенной открыта так называемая темная материя, масса которой является преобладающей, а природа ее неясна). Огромной проблемой существования цивилизации остается энергетическая проблема и др. Все ускоряющиеся темпы научного прогресса позволяют нам оставаться оптимистами в решении стоящих перед человечеством проблем.
Читайте также: