Современная физическая картина мира

 

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):

- гравитационное – 1

- слабое (для элементарных частиц) - 10²⁷

- электромагнитное - 10³⁸

- сильное (ядерное) - 10⁴⁰

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.

Древние представляли мир, состоящий из неделимых атомов. В начале нынешнего века удалось изучить структуру атома, разложить его на элементарные частицы: протоны, нейтроны и электроны. Казалось этого достаточно для описания структуры вещества. Но на этом дело не закончилось. В тридцатых годах были открыты мезоны, нейтрино. У каждой частицы в силу закона симметрии обнаружилась и античастица. Затем перед глазами ученых оказалась целая «россыпь» частиц: их обнаруживали в лучах, приходящих из космоса, получали с помощью мощных ускорителей. Сейчас открыто уже более 400 частиц. Одни из частиц стабильны, вроде протонов, другие живут мгновения (~10^-23 с – резонансы). Одни живут только в движении (фотон, нейтрино), другие могут находиться в состоянии покоя. Жизнь этих частиц - непрерывное взаимодействие друг с другом, взаимные превращения. Взаимодействие частиц называют слабым по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями, судя по малому времени их жизни. Примером слабых взаимодействий служит β- распад μ- мезонов (мюонов) и π- мезонов (пионов):

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^-13с.

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.

Частицы родились в первые мгновения образования горячей Вселенной в результате взаимодействия при колоссальных энергиях и температурах. По модели Гамова сразу после «Большого взрыва» образовался огненный шар, в основном состоящий из электромагнитного излучения большой плотности. Расширясь с невероятной скоростью, он охлаждался. Уже через 10^-4 с температура была 10¹²К, через 1 с она понизилась до 10¹⁰ К. Фотоны, сталкиваясь, могли порождать частицы типа кварков и лептонов. Процессы образования элементарных частиц из первичного излучения способствовали дальнейшему охлаждению огненного шара и установлению равновесия излучения с частицами. Все элементарные частицы нестабильны относительно b - распада, за исключением нейтрино, электронов и протонов. По мере охлаждения шара все другие частицы должны были превратиться в эти частицы уже через 10^-6 с. Из трех частиц, спустя 3 минуты, начался синтез ядер простейших химических элементов (при Т~10¹⁰-10⁷К). Реакция синтеза протонов стала первой в цепочке цикла водородного горения:

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).

Процессом образования атомных ядер водорода и гелия заканчиваются реакции в первичном раскаленном шаре. Более тяжелые ядра относятся к поздним по времени этапам развития Вселенной, когда из сгустков разлетающегося вещества образовались звезды. Под действием гравитационных сил сгустки сжимались, температура в них вновь достигла значения 10⁷К, а плотность ~10⁵ кг/м³. В недрах звезд с новой силой разгорелся «пожар» водородного горения с выделением ядерной энергии (горение длится до тех пор, пока имеющийся запас водорода не исчерпается - наше Солнца). Что дальше? По мере выгорания водорода, концентрация гелия в недрах звезды возрастает, горение продолжится лишь в тонком поверхностном слое. Излучение «раздует» оболочку звезды до невероятных размеров, температура и давление в ней уменьшатся и не смогут дальше препятствовать гравитационному сжатию. Сжимаясь, звезда вновь повысит свою температуру и излучение вновь, «раздует» ее оболочку. Но поверхность оболочки, излучая много энергии, приведет к охлаждению поверхности звезды. Она превратится из ярко-желтой в красную. Такие расширившиеся звезды называют красными гигантами. В центрах таких звезд при плотности ~10⁸ кг/м³ и температуре ~10⁸ К станут возможны реакции гелиевского горения типа:

и т.д.

 

Красные гиганты нестабильны, на них наблюдаются выбросы в межзвездную среду вещества, происходит «засорение» среды водородом, гелием, углеродом, кислородом и т.п. Из этого «сора» образуются затем звезды второго поколения 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 10¹²км). 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.

Ученые верят, что ключ к пониманию нашего мира лежит в исследовании самых малых его элементов - элементарных частиц. Они моделируют сейчас условия, аналогичные тем, что были в момент рождения Вселенной. Так на Женевском международном ускорителе получены энергии и температуры в 4·10¹¹ раз выше, чем на поверхности Солнца (т.е. в момент 10^-19 с «Большого взрыва»).

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.

Оглавление

 

1. Введение ………………………………………………………………..

2. Физические основы механики ………………………………………

2.1. Кинематика материальной точки …………………………………………

Движение материальной точки по окружности ………………………….

2.2. Динамика материальной точки ……………………………………………

2.3. Законы сохранения …………………………………………………………

2.4. Принцип относительности в механике ……………………………………

2.5. Элементы релятивистской механики ……………………………………..

2.6. Механика твердого тела ……………………………………………………

2.7. Механика сплошных сред. Жидкости. Закон Гука ………………………

3. Электричество и магнетизм …………………………………………

3.1. Электростатика. Закон Кулона …………………………………………….

Теорема Остроградского – Гаусса …………………………………………

Проводники в электрическом поле ………………………………………..

3.2. Постоянный электрический ток. Законы Ома, Кирхгофа ………………..

3.3. Магнитное поле. Силы Ампера, Лоренца. Эффект Холла ……………….

Закон Био – Савара – Лапласа ……………………………………………..

Закон Фарадея ………………………………………………………………

3.4. Поля в веществе. Диэлектрики в электрическом поле..…………………

Магнитные свойства веществ ……………………………………………

3.5. Уравнения Максвелла ………………………………………………………

Электромагнитные волны …………………………………………………..

3.6. Принцип относительности в электродинамике ……………………………

3.7. Квазистационарное магнитное поле ……………………………………….

4. Колебания и волны ……………………………………………………

4.1. Кинематика гармонических колебаний. Сложение волн …………………

4.2. Гармонический осциллятор. Затухающие колебания …………………….

4.3. Ангармонические колебания ……………………………………………….

4.4. Волновые процессы …………………………………………………………

4.5. Свет. Интерференция волн. Кольца Ньютона …………………………….

4.6. Дифракция волн ……………………………………………………………..

4.7. Поляризация света. Закон Малюса …………………………………………

4.8. Взаимодействие света с веществом. Дисперсия …………………………..

5. Квантовая физика ……………………………………………………..

5.1. Законы теплового излучения ……………………………………………….

Фотоэффект. Эффект Комптона ……………………………………………

5.2. Корпускулярно – волновой дуализм. Гипотеза де Бройля ……………….

Соотношение неопределенностей ………………………………………….

5.3. Квантовые состояния. Уравнение Шредингера …………………………..

5.4. Атом. Теория Бора ………………………………………………………….

5.5. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули ………………………………

5.6. Молекулы ……………………………………………………………………

5.7. Электроны в кристаллах. Уровень Ферми. р-n – переход ……………….

5.8. Элементы квантовой электроники. Лазеры ……………………………….

5.9. Атомное ядро. Ядерные силы. Радиоактивность …………………………

Ядерные реакции ……………………………………………………………

Реакции синтеза …………………………………………………………….

6. Статистическая физика и термодинамика ………………………..

6.1. Элементы молекулярно – кинетической теории …………………………

Идеальный газ. Число степеней свободы …………………………………

Явление переноса …………………………………………………………..

Электрический ток в вакууме и газах …………………………………….

6.2. Основы термодинамики. Внутренняя энергия ……………………………

Первый закон термодинамики …………………………………………….

6.3. Закон Максвелла для распределения молекул ……………………………

Барометрическая формула …………………………………………………

Ферромагнетики …………………………………………………………….

7. Заключение. Физическая карта мира ………………………………