Формы материи. Самодвижение материи и его конкретные проявления: необратимость, инерция, флуктуации, шумы

 

 

Окружающий нас мир обнаруживается прямо или опосредованно нашими ощущениями. Важнейшим свойством материи и формой ее существования является движение. Движение здесь следует понимать как разнообразие форм материи и их изменчивость – от простого движения материальной точки до процессов мышления, от электронного, таонного или мюонного нейтрино (лептона) до гигантского планетарного образования. Движение материи является ее неотъемлемым свойством. Состояние покоя можно рассматривать как частный случай движения или изменения направления движения. В процессе движения материи имеют место разнообразные взаимодействия. Особые формы взаимодействия наблюдаются в молекулах, атомах, ядрах, в электрических и магнитных полях, в излучениях, в столкновениях элементарных частиц.

Сформировавшиеся в рамках электромагнитной картины понятия поля и веществаполучили дальнейшее развитие в современной картине мира, где содержание этих понятий существенно углубилось и обогатилось.

По современным представлениям, в природе существует в форме полей четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодействие имеет место между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Эта связь исключительно прочна и лежит в основе стабильности вещества в земных условиях. Опосредованно это свойство проявляется в воспроизводимости и в повторяемости результатов во всех видах метрологических измерений.

Слабое взаимодействие является наиболее медленным из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно возникает при взаимодействии частиц, протекающем с участием нейтрино или антинейтрино (β-распад, µ-распад) или без их участия с большой продолжительностью распада частицы (τ > 10^–10) с.

Электромагнитное взаимодействие лежит в основе связи с электромагнитным полем. Оно свойственно всем элементарным частицам за исключением частиц, не имеющих заряда (нейтрино, антинейтрино, фотон). Существование атомов и молекул обусловлено электромагнитным взаимодействием положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Гравитационное взаимодействие свойственно всем без исключения частицам, однако в процессах микромира из-за малых величин масс элементарных частиц оно имеет малую величину. В макромире это взаимодействие определяет существование галактических систем.

Сильное взаимодействие приблизительно в 100 раз больше электромагнитного и в 10¹⁴ раз больше слабого взаимодействия. Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими: радиус действия сильного взаимодействия составляет 10^–15 м, а слабого взаимодействия – 10^–19 м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен.

Элементарные частицы делят на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Группа фотонов представлена одной частицей – фотоном, носителем электромагнитного взаимодействия. Группа лептонов представлена электроном, мюоном, таоном и соответствующими им нейтрино. Все эти частицы, заряженные или нейтральные, участвуют в электромагнитном взаимодействии, в сильных взаимодействиях они не принимают участия. Характеристика фотонов и лептонов – странность, равна нулю. Группа адронов является наиболее многочисленной. Она состоит из двух подгрупп: мезонов и барионов. К мезонам относят пионы, каоны, η-мезоны и их античастицы. К барионам относят протоны, нейтроны, гипероны и их античастицы. Группы или подгруппы элементарных частиц объединяет одна или несколько характеристик. Это может быть заряд, масса покоя, спин, изотопический спин, лептонное или барионное число, странность, стабильность.

Четыре вида взаимодействия в окружающем мире, с одной стороны, обеспечивают стабильность состояния системы, а с другой стороны – ее изменение во времени и в пространстве. Физико-химические и физико-механические свойства веществ обусловлены в первую очередь сильным взаимодействием. Отдельные показатели свойств элементов системы находятся в сильной зависимости от гравитационного взаимодействия (вес, скорость движения, грузоподъемность, трение и др.). Процессы взаимодействия и изменения в рассматриваемой системе непрерывны и связаны с бесконечным числом состояний, событий, частиц, квантов. Статистический, а следовательно, вероятностный характер реальных самопроизвольных процессов в окружающем мире свидетельствует об их необратимости. Конечно, в регулируемых процессах незамкнутых систем можно создать условия для проведения процесса в обратном направлении. В системах с ограниченным числом частиц в замкнутом объеме в ограниченном отрезке времени могут наблюдаться флуктуации (возмущения), т.е. энтропия замкнутой системы в этом промежутке времени может убывать, а не возрастать или оставаться постоянной, как в замкнутой системе с большим числом частиц. Понятно, что в незамкнутых системах энтропия может вести себя, как угодно: убывать, возрастать, оставаться постоянной. Пример обратимого процесса в незамкнутой системе – современный холодильник.

В современной картине мира основным материальным объектом является всеохватывающее квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое меняет число частиц. Здесь уже нет разделяющей границы между веществом и полем. На уровне элементарных частиц постоянно происходят взаимопревращения поляи вещества.

Согласно современным взглядам, взаимодействие любоговида физически опосредовано.Такое представление основано на том, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание передается через вакуум. В квантовой теории состояние микрообъекта описывается амплитудой вероятности его обнаружения (волновой функцией), изменяющейся по волновому закону. Волновая функция является основным носителем информации о волновых и корпускулярных свойствах микрообъектов (микрочастиц). В математическом аспекте она представляет квадрат модуля амплитуды волн де Бройля (французский ученый Луи де Бройль является автором теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов) W ~ Волновая функция на основе принципа неразличимости тождественных частиц и физического смысла квадрата модуля описывает два типа элементарных частиц: фермионы и бозоны {Ψ(x ₁, x ₂) = ± Ψ(x ₂, x ₁)}. Фермионы описываются антисимметричной (меняющей знак при перемене частиц x ₁, x ₂ местами) волновой функцией. К фермионам относят частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны и др.).

Бозоны описываются симметричной (не меняющей знак при перемене частиц x ₁, x ₂ местами) волновой функцией. К бозонам относят частицы с нулевым или целочисленным спином (фотоны, π-мезоны и др.). Сложные частицы, составленные из элементарных частиц, в зависимости от значения спина относят или к фермионам, или к бозонам.

Упрощенную современную модель процесса взаимодействия можно представить следующим образом. Заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. По своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Можно сказать, что заряд возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние. Частицы поля являются виртуальными – они существуют очень короткое время и в эксперименте не наблюдаются. Две частицы, оказавшись в радиусе действия своих зарядов, начинают обмениваться виртуальными частицами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей, с которой она взаимодействует. Обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания между взаимодействующими частицами. Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица, переносящая это взаимодействие. Каждому фундаментальному взаимодействию присущи свои переносчики-бозоны.Для гравитации – это гравитоны, для электромагнитных взаимодействий – фотоны, сильное взаимодействие обеспечивается глюонами, слабое – тремя тяжелыми бозонами. Эти четыре типа взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи. Более того, имеются основания считать, что все фундаментальные взаимодействия не независимы и могут быть описаны в рамках единой теории поля. Это еще одно доказательство единства и целостности, стабильности и постоянных изменений в природе.

Взаимопревращаемость – характерная черта субатомных частиц. Стабильность электромагнитной картины мира была обусловлена стабильными частицами – электроном, позитроном и фотоном. Но стабильных элементарных частиц в природе не так много в сравнении с нестабильными объектами, которые обусловливают нестабильность.Почти все элементарные частицы нестабильны, так как они самопроизвольно (спонтанно) распадаются и превращаются в другие частицы. Взаимопревращения происходят и при столкновениях частиц.

При столкновениях в действительности происходит нерасщепление, а рождение новых частиц. Они возникают за счет энергиисталкивающихся частиц. При этом возможны не любыепревращения частиц.Способы их преобразования при столкновениях подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира субатомных частиц. В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, чтоне запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего, это законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда.Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса продуктов распада меньше массы покоя распадающейся частицы. Существует много специфических «зарядов», сохранение которых также регулируют взаимопревращения частиц: барионный заряд, четность (пространственная, временнáя и зарядовая), странность, очарование и др. Некоторые из них не сохраняются при слабых взаимодействиях. Законы сохранения связаны с симметрией, которая, как считают многие физики, является отражением единения фундаментальных законов природы.

Таким образом, развитие науки, квантовой теории в частности, показало, что вещество постоянно находится в движении, в изменениях, с постоянным созданием флуктуаций, возмущений, не оставаясь в состоянии покоя ни на мгновение. Это говорит о фундаментальном свойстве материи – подвижности, ее динамизме. Материя не может существовать без движения и изменения. Частицы субатомного мираактивны не потому, что они очень быстро движутся, но потому, что они – процессы сами по себе.

Ученые говорят, что вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов единого поля взаимодействий. Эти взаимодействия питает бесконечный поток энергии, проявляющийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в непрерывных изменениях энергетических структур. В результате взаимодействий образуются устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела. Эти единицы также подвергаются воздействию компонентов окружающей среды, совершают колебания, отклонения и другие формы возмущений. Можно сказать, что, с одной стороны, частицы оказывают влияние на пространство, с другой – являются не самостоятельными частицами, а, скорее, структурными образованиями поля, пронизывающими пространство. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает исследователю в высшей степени упорядоченный мир, несмотря на то, что в этом мире соседствует стабильность и динамичность, движение и непрестанное изменение.

Динамическая природа мироздания проявляется не только на уровне бесконечно малого, но и при изучении астрономических явлений. Мощные телескопы помогают ученым следить за непрерывным движением вещества в космосе. Вращающиеся облака газообразного водорода, сгущаясь, уплотняются и постепенно превращаются в звезды. Процессы, протекающие при этом чрезвычайно сложны. В центре облака температура достигает десяти миллионов и более градусов и в нем начинают протекать процессы, связанные с превращением ядер и выделением энергии. Схематично процесс можно представить в форме столкновения двух протонов с образованием ядра дейтерия, позитрона и нейтрино. Далее соединение ядра дейтерия с протоном ведет к образованию ядра изотопа гелия–3, сопровождающееся возникновением электромагнитного излучения. В одном из вариантов ядерной реакции, два ядра гелия –3 объединяясь, образуют ядро гелия–4 и два протона: p + p → D + e⁺ + v; D + p → ³He + γ; ³He + ³He → ⁴He + 2p. Со временем ядерные процессы на основе водорода затухают, звезды увеличиваются в размерах, расширяются, затем сжимаются и заканчивают свою жизнь гравитационным коллапсом, при этом некоторые из них превращаются в черные дыры. Все эти процессы происходят в различных уголках расширяющейся Вселенной. Вселенная, как и микромир, вовлечена в бесконечный процессдвижения, непрерывный процесс преобразованияэнергии.

Непрерывное движение материи, случайные флуктуации и возмущения характеристик физических величин при их измерениях приводят к размытию границ их действительного значения, появлению составляющей погрешности измерения при преобразовании сигнала от датчика и отображении его для анализа. Эти составляющие погрешности измерения называют шумами. Виды шумов в зависимости от их природы могут быть самыми разнообразными. Различают шумы квантования, случайные, тепловые (белые), дробовые, мерцания, синфазные, нормальные, интерференционные. Шум квантования представляет собой погрешность при представлении непрерывной зависимости дискретными значениями. Амплитуда погрешности квантования может достигать ± 0,5 Q, где Q – интервал квантования. Случайные шумы возникают из-за хаотического движения электронов и других заряженных частиц и сливаются с основными физическими характеристиками. Тепловые (белые) шумы генерируются хаотическими движениями электронов и других заряженных частиц при изменении температуры, как правило, в электронных приборах. Они имеют структуру непрерывного и равномерного спектра во всем частотном диапазоне. Дробовой шум возникает из-за случайных флуктуаций скорости диффузии заряженных частиц через потенциальные барьеры, такие, как p-n -переходы в полупроводниках. Шум мерцания возникает из-за движения потока заряженных частиц в неоднородной среде. Пример такого шума – флуктуации ЭДС, возникающие в композитных углеродистых резисторах. Причиной шумов может стать грязь на контактах, некачественная пайка соединений идр.