Общая теория относительности



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Общая теория относительности



 

Теория тяготения Ньютона построена на принципе дальнодействия, предполагающем мгновенное распространение гравитационных сил. А СТО базируется на представлении, что никакое воздействие не может превышать скорость света в вакууме (нужна бесконечная энергия).

ОТО (1916) явилась результатом распространения СТО на неинерциальные системы отсчета (НСО) - СО, движущиеся с ускорением. СТО, как и классическая физика, формулирует физические закономерности только для инерциальных систем отсчета (ИСО), которые движутся прямолинейно с постоянной скоростью. Именно в них соблюдаются принцип инерции, принцип относительности и законы механики. Принцип инерции, сформулированный Галилеем, утверждает, что в отсутствие внешних воздействий тело покоится или движется прямолинейно и равномерно (принцип Аристотеля: тело движется только под воздействием).

Таким образом, в центре внимания ОТО оказалось понятие НСО. В НСО не выполнялись ни принцип инерции, ни законы механики. Задачей физики стало распространение ее законов на НСО.

Существовали две точки зрения на причины инерциальных сил в ускоренных системах. Ньютон считал, что таким фактором является абсолютное пространство, Э.Мах – действие общей массы Вселенной. Эйнштейн усмотрел такой фактор в эквивалентности сил инерции и сил тяготения (инертной и гравитационной масс). Он пришел к выводу, что гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным системам только в случае, если пространство-время является искривленным. С точки зрения ОТО кривизна пространства-времени определяется полем тяготения. При этом искривление определяется не только массой вещества, но и энергией, которой оно обладает (энергия также обладает массой). Гравитация представляет собой искривление пространства-времени. Поле тяготения является отклонением свойств пространства-времени от идеального (евклидова).

Эйнштейн пришел к выводу, что реальное гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным СО, если пространство-время является искривленным, т.е. неевклидовым.

Описание тяготения принципиально меняется. По Ньютону движение тела есть движение под действием тяготения, по Эйнштейну свободное движение в искривленном пространстве-времени. Геодезической (кратчайшей) линией является движение луча света.

Выводы ОТО дискредитировали понятие абсолютного пространства-времени. ОТО показала зависимость пространственно-временных отношений от распределения материальных масс. Материя влияет на свойства пространства и времени. Например, на Солнце время течет медленнее, чем на Земле.

Существуют два независимых способа определения массы тела – согласно второму закону динамики и закону всемирного тяготения. Они показывают поразительную закономерность – количественное тождество гравитационной и инертной масс (в ХХ веке точность опытов достигла10-12). Их равенство означает, что тяготение и инерция есть одно и то же явление. Эйнштейн показал, что нельзя отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Силы инерции в ускоренной СО эквивалентны гравитационному полю. Например, наблюдатель в закрытом лифте не сможет определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения.

Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют систему 10 уравнений. Они в классическом приближении переходят в закон Ньютона. ОТО углубляет понятие поля, связывая понятия гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн.

Первый успех ОТО заключался в объяснении открытой в 1859 году (и непонятной с точки зрения классической теории гравитации) дополнительной скорости движения перигелия (ближайшей к Солнцу точки орбиты) Меркурия около 43 секунд за столетие. Оказалось, что прецессия (вращение) орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным полем Солнца.

ОТО предсказала искривление луча света в гравитационном поле (в ньютоновской теории гравитации этого не должно быть, так как свет, согласно классическим представлениям, не обладает массой). Предсказала замедление времени в гравитационном поле или, что то же самое, красное смещение спектральных линий (СТО, например, предсказывает замедление времени только для НСО).

Проблемы ОТО: интерпретация тензора энергии-импульса, существование гравитационной энергии и др. К тому же математический аппарат ОТО настолько сложен, что почти все задачи, кроме простейших, оказываются неразрешимыми.

Согласно ОТО Вселенная может выглядеть как микрочастица. Такие объекты академик М.А.Марков назвал фридмонами.

Кроме того, теория Эйнштейна не отвечает на вопросы: почему пространство трехмерно, время однонаправлено, максимальная скорость физических процессов не должна превышать скорости света?

К концу ХХ века создано более 20 альтернативных теорий гравитации. Некоторые из них, как и ОТО, исходят из геометрического толкования гравитации, другие – из понятия поля в плоском гравитационном пространстве-времени, третьи не учитывают тождества гравитационной и инерционной масс и т.д. Ни одна из этих теорий не предсказывает отличных от ОТО новых экспериментов, не обладает эстетической привлекательностью, простотой  и эвристичностью. На основе ОТО создана релятивистская космология, разработана программа единой теории поля.

Квантовая механика

 

На рубеже XIX-XX веков в физике появился «каскад» фактов, для описания которых классической физики оказалось недостаточно. Они опровергли представления об атомах как неделимых элементах материи: 1896 год - открытие радиоактивности (спонтанного распада атома и превращения его в другой элемент) Беккерелем; 1897 год - открытие электрона Томпсоном; 1911 год - открытие строения атома Резерфордом. Рушилась 2.5 тысячи лет существовавшая идея атома как «кирпичика» материи. «Исчезновение» атома воспринималось как исчезновение материи и опровержение материализма.

Квантовая механика – теория микрообъектов. День рождения квантовой физики - 14.12.1900 года. М.Планк сформулировал идею квантов, согласно которой в процессе излучения и поглощения энергии она отдается не непрерывно и в любых количествах, а неделимыми порциями (квантами). Формула квантов энергии: Е= hν, где Е – энергия кванта, ν - частота излучения, h - постоянная Планка. Квант – неделимая порция какой-либо величины (энергии, импульса). Смысл постоянной Планка вытекает из ее размерности. Это квант действия – предел возможного действия в природе.

В 1905 году Эйнштейн распространил эту формулу на световые явления. Согласно его теории свет является потоком световых квантов (фотонов). Он, по сути, сформировал квантовую теорию света. Прямые доказательства существования фотонов получил в 1922 году американский ученый А.Комптон при рассеянии рентгеновских лучей на электронах. Эффект Комптона объяснялся только с корпускулярных позиций. За теорию квантовой природы света Эйнштейн в 1922 году получил Нобелевскую премию.

Парадокс: в одних явлениях свет ведет себя как волна (явления дифракции, интерференции), а в других опытах свет ведет себя как частица (явление фотоэффекта).

1904 – первая модель атома, предложенная Дж.Томсоном. Он предположил, что атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой плавают отрицательно заряженные электроны. Экспериментальная модель атома Резерфорда напоминала солнечную систему: вокруг положительно заряженного ядра, движутся отрицательно заряженные электроны. Электрический заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и сумме зарядов электронов (атом электрически нейтрален). Резерфорд получил размеры ядра порядка 10-12-10-13см (10-8 см - размер атома).

Но согласно электродинамике Максвелла такой атом неустойчив - электроны должны излучать энергию и упасть на ядро.

1913 год - Нильс Бор сформулировал квантовую модель атома (получившей название атома Резерфорда-Бора), которая объясняла устойчивость атома. Постулаты Бора:

-электрон в атоме может двигаться только по определенным орбитам, находясь на которых электрон не излучает энергию;

-электрон излучает (поглощает) энергию при переходе с одной орбиты на другую.

Модель Бора точно описала атом водорода, но не многоэлектронные атомы (расходилась с экспериментами). Из этого следовало, что электрон не является механическим шариком. Таким образом, модель Бора оказалась переходной  – ее не хватало для описания всех микроявлений.

В 1925 году был сформулирован принцип исключения - принцип Паули, определяющему закономерности распределения электронов в атоме по слоям вокруг ядра. В каждом квантовом состоянии (описываемом квантовыми числами) не может находиться больше одного фермиона (в данном случае электрона). Поэтому в первом слое, наиболее близком к ядру, может быть только 2 электрона, втором и третьем – 8, четвертом и пятом – 18, шестом и седьмом – 32. Элементы, имеющие одинаковое строение внешней оболочки, принадлежат к одной группе (вертикальному столбцу) Периодической системы Менделеева. Число химических элементов в периоде равно числу электронов в слое.

В дальнейшем принцип получил более глубокий физический смысл. Его называют законом запрета коллапса материи. Например, этому закону подчиняются, как фермионы, кварки.

1924 год - Л.де Бройль выдвинул (в противовес идее Эйнштейна о квантовых свойствах света) идею волновых свойств частиц. Любой частице массой «m» соответствует волна длиной L═h/(mV), где V – скорость частицы. Получается, что волновые свойства наряду с корпускулярными присущи всем видам материи. Эта идея получила название принципа корпускулярно-волнового дуализма. В 1927 году гипотезу де Бройля подтвердили экспериментально К.Дэвисон и Л.Джермер, обнаружив в опыте дифракцию (рассеяние, огибание препятствия) электронов. Дифракция – отклонение волн от прямолинейного движения при прохождении препятствия.

1925 год – В.Гейзенберг вывел уравнение для частиц материи (матричный вариант квантовой механики). 1926 год – Э.Шредингер получил уравнение для волн материи (волновой вариант). Позже выяснилось, что это разные формы одной и той же теории. 1928 год – П.Дирак получил релятивистское обобщение уравнения Шредингера.

Следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма является принцип неопределенности Гейзенберга (1927), раскрывающий принципиальную особенность природы микрообъектов. Принцип неопределенности: понятия частицы и волны к квантовым объектам  можно применить только отдельно (корпускулярные и волновые свойства микрообъектов одновременно с любой точностью определить нельзя). Например, нельзя одновременно с любой точностью измерить координату и импульс (или длину волны), энергию и время микрообъекта. Их можно определить только с точностью  в пределах соотношения:

∆ x ×∆ p ≥ h – соотношение для координаты и импульса.

∆x – фундаментальная неопределенность (интервал) координаты частицы, описываемой волной де Бройля. ∆p – неопределенность (интервал) импульса частицы. Чем точнее определяется координата, тем менее точно определяется импульс и наоборот. Действительно: не может частица сама себя локализовать точнее, чем на половине длины своей волны.

∆ E ×∆ t ≥ h – соотношение для энергии и времени.

∆E – неопределенность (интервал) энергии частицы в данном состоянии, ∆t – промежуток времени, в течение которого частица находится в данном состоянии (или время измерения). Энергия частицы может быть определена тем точнее, чем дольше время измерения. И, наоборот – в фиксированный момент времени частица может обладать энергией в пределах ∆E (может быть определена с такой точностью). Это, например, означает, что в течение времени ∆t энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t, которая может материализоваться (в виде виртуальных частиц).

Эти формулы отображают корпускулярно-волновую природу частиц. Принцип неопределенности – закон природы, а не следствие несовершенства приборов. Принцип выражает основной смысл квантовой механики, отражает фундаментальную неопределенность явлений природы. Год 1927 считается датой завершения построения квантовой механики (нерелятивистской).

Принцип объясняет явления, невозможные с точки зрения классической механики. Например, туннельный эффект - отличная от нуля вероятность прохождения квантовым объектом (из-за волновых свойств) энергетического барьера. Аналогия: способность волн огибать препятствия. Благодаря эффекту происходит распад радиоактивных ядер, термоядерные реакции на звездах и др.

Квантовая механика является фундаментом современной физики, обеспечивает фантастическую точность предсказаний. С ее помощью построили теорию твердого тела, сверхтекучести, радиоактивности, эволюции звезд, ядерную физику, электронику и др.

Анализируя принципы квантово-волнового дуализма и неопределенности Нильс Бор пришел к философскому обобщению, диалектически сформулированному им в виде принципа дополнительности: любое явление природы требует для своего определения взаимоисключающие понятия.

Таким образом, квантовая механика обнаружила вероятностный характер законов микромира, неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в фундаменте материи.

Элементарные частицы

 

Термин элементарные частицы первоначально означал простейшие, далее неделимые. В настоящее время этот термин применительно к микрообъектам является условным, т.к. нельзя всегда утверждать, что одни элементарные частицы состоят из других.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса покоя, электрический заряд, среднее время жизни, спин (собственный момент импульса). Масса покоя определяется по отношению к массе покоя электрона.

К году создания квантовой механики (1927) были известны три элементарные частицы – электрон (1897), протон (1919) и фотон (1922). В 1932 году открыли нейтрон и была выдвинута идея о том, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. В 1928 году был предсказан, а в 1936 открыт позитрон. В 1955 открыт антипротон, 1956 – антинейтрон. К середине XX века было открыто 15 элементарных частиц и античастиц, к концу 1970-х годов – 400. Частицы лишены индивидуальности, внутри одного типа идентичны (один электрон от другого неотличим).

Типы частиц по значению в строении материи:

-носители субстрата материи (адроны, лептоны);

-носители структуры материи (переносчики взаимодействий).

Типы элементарных частиц по их отношению к веществу:

-частицы (вещество);

-античастицы (антивещество).

Каждой элементарной частице соответствует античастица. Эту идею выдвинул Дирак, «духовный отец антиматерии», в 1936 году. Основные характеристики - масса покоя, спин и время жизни - частиц и античастиц одинаковы. Они противоположны по знаку заряда (электрического, магнитного, барионного или лептонного). Примеры. Позитрон - античастица электрона - имеет противоположный (положительный) электрический заряд. Антинейтрон имеет противоположный магнитный и барионный заряд. Антинейтрино имеет противоположный лептонный заряд. Частицы и античастицы уничтожают друг друга.

Частицы, свойства которых полностью тождественны свойствам их античастиц, называются истинно-нейтральными частицами. К ним относятся фотон и нейтральные мезоны  π0 и К0.

Типы элементарных частиц по массе покоя:

-безмассовые частицы, движущиеся с предельной для материальных частиц скоростью (света): фотоны, гравитоны, глюоны;

-«легкие» частицы: лептоны (частицы имеющие массу покоя, но не участвующие в сильных взаимодействиях - электрон, нейтрино, мюоны и т.д. - всего 12 штук);

-промежуточные частицы - мезоны (1-1000 масс электрона me);

-тяжелые частицы – барионы: гипероны (нестабильные частицы, самая тяжелая - Z-бозон 200 000 me или 87 mp) и нуклоны (протон, нейтрон примерно 2000 me).

Название «легкие частицы» условно, т.к. некоторые лептоны имеют массу больше массы протона. Существование гравитона (переносчик гравитационного взаимодействия) пока не доказано. В 2002 году экспериментально обнаружено, что нейтрино обладает очень малой массой (меньше 0.28 эВ).

По строению . Мезоны и барионы относятся к классу адронов, состоящих из кварков. Барионы - из трех кварков, мезоны – двух. Кварки в свободном состоянии не наблюдаются. Кварки и лептоны, похоже, не состоят из других частиц. Кварки до масштаба 10-16 см ведут себя как точечные образования, похожи на лептоны.

Кварковая материя на сегодняшний день рассматривается как конечная квантованная (корпускулярная) материя. Кварки распадаются на другие кварки и частицы.

По электрическому заряду . Все частицы обладают положительным, отрицательным или нейтральным электрическим зарядом. Заряд определяется по отношению к наименьшему заряду свободной частицы – это заряд электрона, который численно считается равным 1.

В 1964 году Гелл-Ман и Дж.Цвейг выдвинули гипотезу существования частиц с дробным зарядом (-1/3 или +2/3) – кварков, из которых состоят частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. В 1969 году эта гипотеза подтвердилась в экспериментах по рассеиванию электронов на протонах.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (долгоживущие), нестабильные (быстрораспадающиеся) и виртуальные (короткоживущие). Стабильные - фотон, нейтрино, электрон, протон. Нейтрон стабилен внутри ядра, но вне его распадается в течение 15 минут. Нестабильные существуют 10-10-10-24сек. Самые нестабильные называются резонансами. Они живут 10-22-10-24 сек. Виртуальные частицы существуют10-24 сек.

По спину . Спины элементарных частиц имеют следующие величины: 0, 1/2, 1, 3/2, 2. Элементарных частиц со спином более 2 возможно не существует. Частицы с целым спином называются бозоны, с полуцелым - фермионы. Протон, нейтрон, электрон имеют спин 1/2, фотон 1, гравитон 2. Частицы с нулевым спином (например, некоторые ядра) выглядят одинаково при любом угле поворота. Частица со спином 1/2 - через 2 оборота, со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота, со спином 2 - через полоборота.

Фермионы подчиняются принципу Паули(в системе фермионов не может быть двух частиц в одном состоянии).

По участию в сильном взаимодействии . Участники в сильном взаимодействии называются адронами (они состоят из кварков). Адронов существует сотни, большинство – резонансы. Известные адроны: протон и нейтрон. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Частицы-переносчики взаимодействий: гравитационного - гравитоны, электромагнитного - фотоны, сильного – глюоны (их масса покоя равна нулю), слабого – W,Z-бозоны (массы покоя равны 87 mp). Гравитоны и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Вакуум

 

Уравнение Шредингера не является релятивистским. Областью применения квантовой механики является движение микрочастиц в условиях сил, действующих мгновенно (принцип дальнодействия), т.е. квантовая механика не применима для скоростей, близких к скорости света, она пренебрегает законами релятивисткой физики (СТО). Именно поэтому квантовую механику называют также нерелятивистской квантовой механикой. Она также неприменима для описания процессов рождения и уничтожения частиц.

Теория, объединяющая представления квантовой механики и СТО, называется квантовой теорией поля (КТП). КТП является ядром современной физики – общим подходом ко всем фундаментальным взаимодействиям. Центральная идея КТП ̶ принцип квантово-волнового дуализма, т.е. признание существования волновых свойств у всех частиц и квантовых свойств у всех полей.

Под полем в КТП понимается квантовое поле  ̶  система частиц (квантов), заполняющих пространство. Энергия реальной частицы никогда не равна нулю, т.к. формула энергии кванта: Е=hʋ(n+1/2).

Соотношение неопределенностей радикально изменило представление о пустоте, получившей название физического вакуума. В течение времени ∆t энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t, которая может материализоваться в виде виртуальных частиц. Спустя время ∆t они «исчезают». Виртуальные частицы – короткоживущие (порядка 10-24 сек) частицы, возникающие в вакууме вследствие кратковременного нарушения закона сохранения энергии.

Вакуум ̶ низшее энергетическое состояние поля, в котором отсутствуют реальные частицы. Действительно, вакуум в среднем пуст, его средняя энергия равна нулю, но согласно соотношению неопределенности (для энергии) квантовые эффекты могут в течение короткого времени нарушать закон сохранения энергии. Временно в вакууме могут возникать из ничего и снова превращаться в ничто частицы, называемые виртуальными (частицы-призраки). Происходят спонтанные (самопроизвольные) процессы рождения и уничтожения (аннигиляции) частиц, т.к. виртуальные частицы возникают не по одному, а парами  ̶  частицы и античастицы.

Таким образом, вакуум ̶ это не абсолютная пустота, а вид материи, существующий наряду с веществом и полем. Он наполнен флуктуациями всевозможных полей. Его реальность доказывается экспериментами. Реальные частицы окружены облаком виртуальных частиц. Например, влиянием вакуума объясняется отклонение уровней энергии электрона в атоме (лэмбовский сдвиг). Это влияние подтверждается также экспериментами по взаимодействию реальных частиц. Можно сказать, что взаимодействие реальных частиц осуществляется через испускание и поглощение виртуальных частиц. Чем выше энергия реальных частиц, тем чаще при их взаимодействии окружающие их виртуальные частицы превращаются в реальные.

В теории электрослабого взаимодействия Вайнберга-Салама вакуум рассматривается как коллективные возбуждения скалярного поля бозонов Хиггса (частиц «Бога»). Именно эти частицы физического вакуума принимают участие в формировании качественных и колличественных свойств реальных частиц. Такие свойства частиц, как спин, масса, заряд, проявляются во взаимодействии с определенным вакуумным состоянием вследствие перестройки вакуума. Хиггсовские бозоны представляют собой массивные элементарные частицы с нулевым спином. В 2012 году существование бозонов Хиггса было подтверждено экспериментально. В 2013 году Питер Хиггс совместно с Франсуа Энглером за их теоретическое открытие получили Нобелевскую премию.

Вакуум в физической картине мира предстает как прародитель нашего мира. Существует фоновое пространство, заполненное вакуумом, где происходят возмущения, дающие начало вселенным.



Последнее изменение этой страницы: 2021-04-04; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.235.120.150 (0.048 с.)