chast2a (Концепция современного естествознания), страница 2

Экспериментальные основы нового этапа развития физики были заложены на рубеже 19-20-х веков. Двадцатые годы нашего столетия принято считать началом нового третьего этапа развития физики - этапа квантовой физики. Перечислим лишь некоторые явления и открытия, которым не было места в рамках старых механистических теорий, и которые перевернули старую физику. Упомянем излучение разреженных газов и нагретых твердых тел, открытие электрона, явления радиоактивности, фотоэффекта, атомного ядра и, наконец создание теории относительности.

Началом атомного века можно считать две даты. Первая - 1942 год, когда под руководством Э.Ферми (1901-1954) был запущен первый ядерный реактор и человечество впервые за свою историю получило не энергию от Солнца, а принципиально новую - атомную. Летом 1945 года было проведено испытание первого атомного оружия, и это тоже веха в развитии человечества - практическое применение нового вида энергии.

Однако этим событиям предшествовал доклад Макса Планка (1848-1947) о полученной им новой формуле излучения в Берлинском университете в 1900 году. Планк открыл элементарный квант действия, новую естественную константу, и это открытие положило начало новой эпохе в развитии физики. Оно показало, что тезис о бесконечной непрерывности всех действий в природе - непрерывности был заблуждением. Выяснилось, что в природе бывают изменения, которые происходят не плавно, а скачком "взрывообразно", как сказал сам Планк. Результатом открытия Планка стал отказ от принципа "Natura non facit saltus" (природа ничего не делает скачком), который владел умами натурфилософов со времен И.Ньютона (1643-1727) и Г.В.Лейбница (1646-1716).

Открытие Планка эпохальное, революционное. Значение его не снижает даже тот факт, что до конца жизни сам Планк считал кванты ни чем иным, как абстракцией, моделью, которая не имеет ничего общего с действительностью. Другие исследователи, менее приверженные к традиции, чем он, вскоре значительно обогнали его и развили новые области и разделы современной физики.

В современной физике возник ряд новых направлений, неведомых классической. Ограничимся перечислением лишь некоторых и очертим круг задач, стоящих перед ними.

Физика элементарных частиц. Ее основной проблемой было и остается исследование материи на уровне элементарных частиц. Не все теоретические положения этого раздела физики получили прямое подтверждение экспериментами. Обширный экспериментальный материала до сих пор не обобщен. Существуют только попытки построения теории, объединяющей все виды взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Физика ядра. В 30-х годах была создана протонно-нейтронная модель ядра, был достигнут большой прогресс в понимании структуры ядер и достигнут большой успех в практическом применении ядерных реакций. Одна из важнейших задач в этой области - решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Работы в этом направлении ведутся объединенными усилиями исследователей из ряда стран.

Астрофизика. Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизится к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития, эволюция звезд, образование химических элементов. Однако, несмотря на впечатляющие достижения современной астрофизики, остается неясным, каково строение материи при огромных плотностях внутри нейтронных звезд и "черных дыр". Невыяснена природа квазаров и причина вспышек сверхновых звезд. В целом, можно считать, что положено только начало решению проблемы эволюции Вселенной.

Оптика и квантовая электроника. На фундаменте квантовой теории излучения, заложенной А.Эйнштейном, возникла новая наука - квантовая электроника. Успехи в этой области связаны, в первую очередь с созданием сверхчувствительных приемных систем и принципиально новых источников света - лазеров или оптических квантовых генераторов. Их уникально по своим параметрам. Создание лазеров дало жизнь новому разделу оптики - нелинейной оптике. Практически строгая монохроматичность лазерного излучения позволяет получить объемное изображение объекта - голограмму. Ведутся работы по использованию лазеров в управляемых термоядерных реакциях. Развитие этой области связано с дальнейшим повышением мощности лазеров и с расширением диапазона рабочих частот. Сейчас стоит задача создания рентгеновских и гамма-лазеров.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится подавляющая часть вещества Вселенной. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществить управляемую термоядерную реакцию. Получение таких реакций позволит дать человечеству практически вечный экологически чистый источник энергии. Эта проблема очень актуальна, поскольку уже в ближайшее время человечество столкнется с проблемой энергетического голода.

Физика твердого тела. Пожалуй, ни один из разделов физики не имеет стольких ответвлений в прикладные области, как этот. Прогресс в компьютеростроении целиком базируется на достижениях физики твердого тела. Туннельный эффект - явление из области квантовой физики, которое заключается в способности элементарных частиц проникать сквозь барьер, который классическая частица не может пройти в принципе. На основе туннельного эффекта созданы специальные приборы - туннельные микроскопы, которые позволяют наблюдать отдельные атомы. Прогресс в этой области зашел так далеко, что коллективу сотрудников фирмы IBM удалось написать название фирмы буквами, размером всего в пять атомов по высоте. По-видимому, это самая эффектная реклама в мире. Размер этих букв во столько же раз меньше букв, написанных Левшой на подкове блохи, во сколько песчинка меньше Эйфелевой башни. Сверхпроводимость - особое состояние некоторых веществ, открытое достаточно давно. Оно заключается в том, что при температурах порядка 5~20⁰ К электрическое сопротивление совершенно исчезает. Ток может циркулировать в таком проводнике годами. В настоящее время синтезированы материалы, в которых сверхпроводимость возникает при температурах 100~150⁰ К. Такие материалы могут широко использоваться в науке и технике.

В заключение отметим, что важнейшей особенностью современного физического эксперимента стала неизмеримо возросшая роль измерительной и вычислительной техники. Современные исследования ведутся обычно на больших установках и требуют значительных затрат. Развитые страны идут на это, и не только потому, что естественные науки составляют часть культуры человечества, но и потому, что именно они позволяют увеличивать целостность, независимость и благосостояние государства.

7. ВЕЩЕСТВО И МАССА, ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.

В физике под веществом подразумевают такой вид материи, который обладает массой покоя, т.е. в состоянии неподвижности (хотя бы и относительной) масса системы не равна нулю. В конечном счете, вещество слагается из атомов (или элементарных частиц). В следующих разделах мы узнаем, что существуют частицы, имеющие нулевую или мнимую массу покоя; такие частицы могут существовать только в движении.

Вещество всегда локализовано в ограниченной части пространства. Его положение можно задать с помощью ограниченного числам параметров, которые принято называть степенями свободы. В простейшем случае движения точки, ее положение в пространстве задается 3-мя независимыми координатами (степенями свободы). Даже, когда вещество нельзя моделировать точкой (например, твердое тело), его положение все равно определяется конечным числом независимых координат - степеней свободы. Если вещество состоит из N атомов, то мы можем описать положение каждого атома в отдельности. Всего потребуется задать 3 N параметров. Реально атомы образуют связи; каждая связь превращает одну из независимых координат в зависимую, и число независимых параметров (координат) уменьшается. Положение твердого тела, оказывается, можно задать всего лишь 6 параметрами: тремя координатами - положение центра масс тела и еще тремя углами - его ориентацию (разворот) относительно координатных осей.

В настоящем и в прошлых разделах упоминалось понятие массы, которое требует дополнительного обсуждения. В начале нашего курса говорилось, что масса характеризует количество материи. Это формулировка качественная. Она требует уточнения. Правильнее говорить, что масса - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства. Остановимся на этом вопросе подробнее. В теории Ньютона масса рассматривалась, как количество вещества. Понятие массы ввел в механику И.Ньютон, давая определение импульса - . Массой он назвал коэффициент пропорциональности m, постоянную для тела величину. Эквивалентное определение массы вытекает и из второго закона Ньютона: Здесь масса - это коэффициент пропорциональности между результирующей силой и вызываемым ею ускорением. Определенная таким образом масса характеризует инертность тела. Т.е. чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает под действием постоянной силы. Определенная таким образом масса называется инертной.

В теории гравитации И. Ньютона масса выступает как источник поля сил тяготения. Каждая масса создает вокруг себя пол сил тяготения (гравитационное поле). На любое тело, помещенное в это поле, действует сила, пропорциональная его собственной массе, массе источника и направленная к источнику. Это значит, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения. Закон всемирного тяготения формулируется в следующем виде: , где м³/(кг×с²)- гравитационная постоянная, m₁ и m₂ - массы тел, r - расстояние между телами.

Из этой формулы можно получить связь между массой тела и его весом Р в поле тяготения Земли, если считать, что m₁ - масса тела, m₂ = M - масса Земли, а r = R_з - радиус Земли:

т.е. . Определенная таким образом масса называется гравитационной.

В принципе, ниоткуда не следует, что масса, создающая поле тяготения и масса, определяющая инерцию тела - одинаковы. Однако, специальные опыты показали, что инерционная и гравитационная массы при выборе одинаковой системы единиц равны. Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности масс. Экспериментально этот принцип был проверен в 1971 году с очень высокой точностью - 10^-12.

В классической физике считалось, что масса тела не меняется ни в каких процессах. Это утверждение формулировалось в виде закона сохранения массы. Понятие массы приобрело более глубокий смысл в рамках релятивистской механики или теории относительности, рассматривающей движение тел с большими скоростями. Релятивистская механика показывает, что не существует по отдельности законов сохранения массы и энергии. Они слиты воедино. Это естественно, так как материя (количество которой характеризуется массой) невозможна без движения (количество которой характеризуется энергией). Подробнее рассмотрим этот вопрос после изучения законов сохранения и специальной теории относительности.

Природа массы - важнейший, до сих пор не решенный вопрос физики. Принято считать, что массы элементарных частиц определяется полями, с ними связанными. Однако, до настоящего времени не создана количественная теория массы. Не существует теорий, объясняющих, почему массы элементарных частиц образуют не непрерывный, а дискретный, т.е. прерывный спектр значений, и тем более, позволяющих рассчитать эти значения.

8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. ПОЛЕ. ПРИНЦИПЫ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ И ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ.

Уже несколько раз упоминалось понятие поле. Что же следует под ним понимать? В механике Ньютона взаимодействие тел количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия тел является потенциальная энергия. Но не для всех сил она может быть введена.

Первоначально в классической механике утвердилась концепция, что взаимодействие между телами происходит через пустое пространство, которое не принимает участия во взаимодействии, передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, например, считалось, что перемещение Земли мгновенно приводит к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом и состояла так называемая концепция дальнодействия. По сути дела утверждалась возможность мгновенной передачи какого-либо воздействия от одного тела другому. При этом не оговаривался механизм этой передачи.

Однако, данные представления были откинуты, как не соответствующие реальным, после открытия и исследования электрических и магнитных полей. Понятие поля в применении к электрическому и магнитному полям было введено в 30-х годах 19-го века М. Фарадеем. Концепция поля была возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Р.Декарт. Согласно его концепции близкодействия, взаимодействующие тела создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле, которое проявляется в силовом воздействии на другие тела, в эти поля помещенные. Экспериментально было показано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно. Перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другую заряженную частицу не в тот же момент, а спустя некоторое время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Был сделан вывод, что имеется посредник, осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы. Скорость распространения электромагнитных волн не превышает скорости их распространения в вакууме, равной 3×10⁸ м/с. Таким образом, возникла новая концепция - концепция близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Всемирное тяготение, например, осуществляется за счет гравитационных полей. Взаимодействие тел передается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Скорость передачи взаимодействия ограничена скоростью света в вакууме.