CBRR2291 (Мир дискретных объектов - физика частиц. Модель частицы (корпускула). От физики Аристотеля до физики Ньютона)

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Тамбовский государственный технический университет

Факультет АХП

Ðåôåðàò

ïî äèñöèïëèíå:

Êîíöåïöèÿ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ.

Выполнила:

студентка гр. Л11:

Яхонтова Ю.А.

Преподаватель:

Исаева О.В.

г. Тамбов - 1996

РЕФЕРАТ

на тему:

“Мир дискретных объектов - физика частиц. Модель частицы (корпускула). От физики Аристотеля до физики Ньютона.”

1. Мир дискретных объектов - физика частиц.

В физике и химии дискретность означает зернистость строения ìàòåðèè, ее атомистичность.

Понятие дискретности распространяется на все окружающее нас, будь то предметы, вещества, живые организмы или пространство.

Д и с к р е т н о с т ь (от латинского discretus- разделенный, прерывистый), прерывность; противопоставляется непрерывности. Например, дискретное изменение какой-либо величины во времени - это изменение, происходящее через определенные промежутки времени (скачками); система целых чисел (в противоположность системе действительных чисел) является дискретной [2].

Прерывность означает «зернистость», дискретность пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих ее элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития. Она основывается на делимости, а также на относительно самостоятельном существовании составляющих ее устойчивых элементов, качественно определенных структур, например, электронных частиц, ядер, атомов, молекул, кристаллов, организмов, планет и т. д. [1].

Изучая многие вещества - жидкие, твердые è ãàçîîáðàçíûå, - химики обнаружили, что некоторые из них можно разложить на более простые. Существуют, однако, и такие вещества - их называют химическими элементами, - которые разложению не подлежат. Химики открыли более 100 элементов, около 20 из них встречаются в живых организмах.

Представим себе, что мы дробим кусочек графита на все более мелкие кусочки, пока не дойдем до мельчайших частиц, еще сохраняющих свои свойства, присущие углероду. Такая частица есть атом углерода. Атом - это единица вещества.

Но и атомы не элементарны. В ХХ веке ученые доказали дискретность атома. Строительных материалов у природы не 100, а всего 3. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов, которые сегодня принято считать элементарными.

Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ïîäâåðæåíî ñîìíåíèþ ïîíÿòèå î íåäåëèìîñòè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Возможно, в будущем мы узнаем об их дискретности. Уже предложена модель, согласно которой многие элементарные частицы, хотя и не все, построены лишь из нескольких различных фундаментальных частиц [3].

Теорию элементарных частиц нельзя считать законченной. Ее состояние напоминает состояние теории Бора до возникновения квантовой механики [7].

Физики занимаются изучением элементарных частиц и явлений, закономерностей микромира, проникая в ультрамалые субатомные пространственно-временные области, вплоть до 10^-15 см и до 10^-27 сек.

Согласно теоретическим предположениям ученых, окружающее нас пространство на чрезвычайно малых расстояниях обладает необыкновенно сложной мелкозернистой структурой с фантастической плотностью энергии. В каждом кубическом микрометре этой среды содержится такое количество энергии, которого вполне достаточно для образования многих триллионов галактик [4].

Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют «нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц. Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот. Но так как эти частицы летят во всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга, и мы ничего не ощущаем.

В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц нарушается, è â êàêîì-òî íàïðàâëåíèè òàêèõ ÷àñòèö движется больше, чем в противоположном, нулевые колебания в вакууме начинают себя проявлять [4].

В физике микромира по одной из систематик на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на 3 класса: I класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, II - электрон и нейтрино, III класс - андроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезон - частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов [4].

Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты.

Во всяком случае современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.

Согласно одной из гипотез Вселенная, выйдя из исходного состояния, поначалу была вообще пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума ëèøü â ïðîöåññå åå äàëüíåéøåé ýâîëþöèè.

Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 10⁵⁶ г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик [4].

Микромир и мегакосмос - две стороны одного и того же процесса, который мы называем Вселенной. Физика микромира проникла в область явлений, которые характеризуются масштабами порядка 10^-15 см, астрофизика изучает объекты, для которых характерны расстояния вплоть до 10²⁸ см. Но какими бы гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в конечном итоге состоит из элементарных частиц. В то же время мы сами, как и все окружающие нас объекты, являемся частью мегакосмоса.

2. Ìîäåëü àòîìà (êîðïóñêóëà)

Ê î ð ï ó ñ ê ó ë à - îò ëàòèíñêîãî corpuskulum - ÷àñòèöà â êëàññè÷åñêîé íåêâàíòîâîé ôèçèêå.

Ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî ëþáîå âåùåñòâî ñîñòîèò èç ìåëü÷àéøèõ íåäåëèìûõ ÷àñòèö - à ò î ì î â, áûëî âûñêàçàíî îêîëî 2500 ëåò íàçàä äðåâíåãðå÷åñêèìè ôèëîñîôàìè Ëåâêèïïîì è Äåìîêðèòîì â èõ àòîìèñòè÷åñêèõ ãèïîòåçàõ.

Ë å â ê è ï ï (5 âåê äî í. ý.) - äðåâíåãðå÷åñêèé ôèëîñîô-ìàòåðèàëèñò, îäèí èç ñîçäàòåëåé äðåâíåé àòîìèñòèêè. Ëåâêèïï áûë ó÷èòåëåì Äåìîêðèòà, ôèãóðà êîòîðîãî êàê ñîçäàòåëÿ çàâåðøåííîé ñèñòåìû àòîìèñòèêè ïîëíîñòüþ çàñëîíèëà åãî ó÷èòåëÿ. Ëåâêèïï äëÿ îáúÿñíåíèÿ ðàçíîîáðàçèÿ ïðåäìåòîâ óòâåðæäàåò ñóùåñòâîâàíèå îòíîñèòåëüíîãî íåáûòèÿ, òî åñòü íàëè÷èÿ ïóñòîòû,ïðîñòðàíñòâà, ïîëíîñòüþ ëèøåííîãî ìàòåðèè, êàê ñâîåîáðàçíîé àðåíû, íà êîòîðîé ðàçûãðûâàþòñÿ âñå ïðîèñõîäÿùèå â ïðèðîäå âåùåñòâåííûå ïðîöåññû. Ïóñòîòà ðàçäåëÿåò âñå ñóùåå íà ìíîæåñòâî ýëåìåíòîâ. Ñâîéñòâà ýòèõ ýëåìåíòîâ çàâèñÿò îò îãðàíè÷èâàþùåãî èõ ïóñòîãî ïðîñòðàíñòâà. Ðàçëè÷àþòñÿ îíè ïî âåëè÷èíå, ôèãóðå, äâèæåíèþ. Íî âñå ýëåìåíòû ìûñëÿòñÿ êàê îäíîðîäíûå, íåïðåðûâíûå è ïîòîìó íåäåëèìûå (atomoi). Ëåâêèïï ñ÷èòàåò äâèæåíèå âíóòðåííå ïðèñóùèì àòîìàì [2].

Ä å ì î ê ð è ò (460-370 äî í. ý.) - äðåâíåãðå÷åñêèé ôèëèñîô-ìàòåðèàëèñò, ñîçäàòåëü çàâåðøåííîé ñèñòåìû àòîìèñòèêè. Èñòîðè÷åñêîå ìåñòî ôèëîñîôèè Äåìîêðèòà îïðåäåëÿåòñÿ ïåðåõîäîì äðåâíåãðå÷åñêîé íàòóðôèëîñîôèè ê âûðàáîòêå ïîíÿòèÿ èíäèâèäóàëèçìà, èíäèâèäóàëüíîãî áûòèÿ. Ýòî íàøëî ñâîå îòðàæåíèå â èñõîäíîì ïîíÿòèè ôèëîñîôèè Äåìîêðèòà - ïîíÿòèè «à ò î ì à», êàê íåêîòîðîãî íåäåëèìîãî ìàòåðèàëüíîãî èíäèâèäóóìà (ãðå÷åñêîå atomos, êàê ëàòèíñêîå individuum îçíà÷àåò «íåäåëèìûé», êîòîðûé ïðèçíàåòñÿ íå âîçíèêàþùèì è íå ãèáíóùèì, íå ðàçðóøèìûì, íå ïîäâåðæåííûì êàêîìó-ëèáî âîçäåéñòâèþ èçâíå, ïîäëèííûì áûòèåì, ïðîòèâîñòîÿùèì ïóñòîòå êàê àáñîëþòíîìó íè÷òî. Атом таким образом превращался у Демокрита просто в геометрическое тело, которое также неразрушимо, вечно è íå èìååò êàêèõ-ëèáî ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Демокрит отрицал бесконечную делимость материи. Атомы различаются между собой только формой, порядком взаимного следования, и положением в пустом пространстве, а также величиной и зависящей от величины тяжестью. Они имеют бесконечно разнообразные формы с впадинами или выпуклостями. Демокрит называет атомы также «фигурами» или «видиками», из чего следует, что атомы Демокрита являются максимально малыми, далее неделимыми фигурами или статуэтками. В современной науке много спорили о том, являются ли атомы Демокрита физическими или геометрическими телами, однако сам Демокрит еще не дошел до различения физики и геометрии. Из этих атомов, движущихся в различных направлениях, из их «вихря» по естественной необходимости путем сближения взаимноподобных атомов образуются как отдельные целые тела, так и весь мир; движение атомов вечно, а число возникающих миров бесконечно. Атомы для человека невидимы, а человеческие отношения объясняются истечениями из атомов, «видиками», действующими на наши органы чувств è âûçûâàþùèìè ñîîòâåòñòâóþùèå îùóùåíèÿ, так что не существует ни сладкого, ни горького, ни белого, ни черного самого по себе, но только атомы и пустота [2].

Существенные изменения в атомистическое учение Демокрита внес Э п и к у р (342-341 до н. э.). Вихревое движение атомов заменяется у Эпикура падением, вводится понятие «веса атомов». Особенно примечательно учение Эпикура о произвольном отклонении атомов от падения по прямой, обосновывающее возникновение миров (число которых бесконечно) и свободу индивида (т. е. атома и человека). В борьбе с традиционным для античной натурфилософии понятием рока (судьбы) Эпикур доходит до беспрецедентного отрицания точной закономерности небесных явлений [2].

Философская поэма Л у к р е ц и я (1 век до н. э.) «О природе вещей», написанная в форме дидактического эпоса, излагает учение Эпикура - главным образом его физику. Это единственный полностью сохранившийся памятник материалистической мысли древности [2].

Поэма Лукреция состоит из 6 книг; в книгах 1 и 2 излагается атомистическая теория мироздания и идея к о р п у с к у л я р н о й модели атома.

3. Îò ôèçèêè Àðèñòîòåëÿ äî ôèçèêè Íüþòîíà.

Построение целостной астрономической картины мира - геоцентрической системы Аристотеля-Птоломея исходило из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной.

А р и с т о т е л ь (384-322 до н. э.)

Космология Аристотеля при всех достижениях (сведение всей суммы видимых небесных явлений и движений светил в стройную теорию) в некоторых частях была отсталой в сравнении с космологией Демокрита и пифагоризма. Влияние геоцентрической космологии Аристотеля сохранялось вплоть до Коперника. Аристотель руководствовался планетной теорией Евдокса Книдского, но приписал планетным сферам реальное физическое существование: Вселенная состоит из ряда концентрических сфер, движущихся с различными скоростями и приводимых в движение крайней сферой неподвижных звезд. «Подлунный» мир, то есть область между орбитой Луны и центром Земли, есть область беспорядочных неравномерных движений, а все тела в этой области состоят из четырех низших элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля, как наиболее тяжелый элемент, занимает центральное место, над ней последовательно располагаются оболочки воды, воздуха и огня. «Надлунный» мир , то есть область между орбитой Луны и крайней сферой неподвижных звезд, есть область вечноравномерных движений, а сами звезды состоят из пятого - совершеннейшего элемента - эфира[2].

П т о л о м е й (2 век до н. э.) - древнегреческий ученый. Разработал так называемую геоцентрическую систему мира, согласно которой все видимые движения небесных светил объяснялись их движением вокруг неподвижной Земли. Основное сочинение Птоломея по астрономии - «Великое материальное построение астрономии в 13 книгах» или «Альмагест» на арабском. В «Альмагесте» впервые законы видимых движений небесных тел были установлены настолько, что стало возможным предвычислять их положение[2].

Система Аристотеля-Птоломея верно отразила некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру. Таким образом это было учение собственно о Земле. На уровне своего времени она отвечала основным требованиям, которые предъявлялись к научному знанию. Во-первых, она с единой точки зрения объясняла наблюдаемые перемещения небесных тел и, во-вторых, давала возможность предвычислять их будущие положения. В то же время нельзя не отметить, что теоретические построения древних греков носили чисто умозрительный характер - они были совершенно оторваны от эксперимента.

Известно, что геоцентрическая система Аристотеля - Птоломея просуществовала вплоть до ХVI столетия, до появления гелиоцентрического учения Коперника. Это учение явилось величайшей революцией в естествознании, положившей начало развитию науки в ее современном понимании.

Развитие естествознания, труды Коперника, Галилея, Ньютона убедительно показали несостоятельность геоцентризма. Коперник показал, что за видимыми движениями небесных светил скрывается совсем иное явление - обращение Земли вокруг Солнца, то есть мир не таков, каким мы его непосредственно наблюдаем. Коперниковская революция в естествознании утвердила важнейший принцип: необходимо искать подлинную сущность вещей, скрытую за их внешней видимостью.

К о п е р н и к (1473-1543 до н. э.) - создатель гелиоцентристской системы мира. Начал с попыток усовершенствовать геоцентрическую систему мира, изложенную в «Альмагесте» Птоломея. Многочисленные работы в этом направлении сводились к более точному определению элементов тех диферентов и эпициклов, посредством которых Птоломей представил движения небесных тел.

Коперник, поняв зависимость между видимыми движениями планет и Солнца, хорошо известную еще Птоломею, на этой основе построил гелиоцентрическую систему мира. Благодаря ей правильное объяснение получил ряд непонятных ранее закономерностей движения планет. Таблицы, составленные Коперником, нашли большое значение в развитии мореплавания. Результаты труда были обобщены Коперником в сочинении «Об обращении небесных сфер». Здесь он сохраняет представление о конечной Вселенной, ограниченной сферой неподвижных звезд. Философское значение гелиоцентрической системы состояло в том, что Земля, считавшаяся раньше центром мира, низводилась до положения одной из планет. Возникла новая идея - идея о единстве мира, о том, что «небо» и «земля» подчиняются одним и тем же законам. Революционный характер взглядов Коперника был понят католической церковью лишь после того, как Галилей и другие развили философские следствия его учения. В 1619 году декретом инквизиции книга Коперника «впредь до исправления» была внесена в «Индекс запрещенных книг» и оставалась под запретом до 1828 года [2].