38334 (Концепция естествознания), страница 2

5. Развитие взглядов на физическую картину мира. Классическая физика, электродинамика, квантовая и статистическая физика

Под картиной мира понимается система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего мира. С развитием науки появляются новые теории, открываются новые законы. Естественно те теории, которые господствуют в определенный исторический период, формируют физическую картину мира.

До 19 в. существовала физическая картина мира основанная на классической физике. В основе ее лежали законы движения, которым подчинялись и физические тела вокруг и небесные тела. Известно, что Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления для решения этих задач: мгновенная скорость определялась как первая производная пути по времени, ускорение — как первая производная от скорости по времени или вторая производная пути по времени. Благодаря этому были сформулированы законы динамики и закон всемирного тяготения. Эти законы проверялись экспериментально. Таким образом в тот период в основе изучения природы лежали основные законы механики сформулированные Ньютоном:

1. Закон инерции (всякое тело продолжает оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока под воздействие внешних сил не изменит его).

2. Изменение количества движения пропорционально действующей силе и происходит по прямой по которой действует эта сила.

3. Всякому действию есть равное и противоположно направленное противодействие.

Такая картина мира давала представление о действующих на тела силах, но не уточняло причину. Например, — «сила притяжения пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния», но причины тяготения этим законом не устанавливались.

Электродинамика дополнила существующую картину мира, установив зависимость между электрическими и магнитными явлениями. Ученые 19 в. обнаружили, что магнитная стрелка отклоняется над проводником с током, во вращающемся в магнитном поле замкнутом контуре возникает ток. Было показано, что существуют не только тела, но и поля (гравитационные, электромагнитные). После того как объектом изучения стали не только тела, но и поля картина мира приобрела более сложный характер.

В конце 19-20 вв. были сделаны крупные открытия, коренным образом изменившие физическую картину мира. Прежде всего это открытия строения вещества, взаимодействия поля и вещества и законов микромира. Оказалось, что атом состоит из элементарных частиц, которые подчиняются законам не классической физики, а квантовой механики и статистической физики. Кроме того было обнаружено, что элементарные частицы обладают не только корпускулярными свойствами, но и волновыми. Так было установлено, что между веществом и полем нет непроходимой границы. Для объяснения процессов микромира была создана квантовая механика. Квантовая механика не дает однозначных ответов, а определяет лишь вероятность того или иного результата. Ее главное открытие — вероятностный характер предсказаний. Например вероятность нахождения электрона в определенном месте равняется квадрату модуля волновой функции, которая описывает волновые свойства частиц. Статистическая физика изучает свойства сложных систем и связь со свойствами отдельных частиц. В ней используются методы рассматривающие распределение частиц по скоростям с помощью функций распределения, которая определяет вероятность определенной скорости для частицы. Таким образом с развитием науки физическая картина мира становится все сложнее и приобретает вероятностный характер.

6. Пространство и время. Понятие состояния. Принципы симметрии. Законы сохранения

Пространство и время это формы существования материи. Представления об этих понятиях изменялось по мере достижений науки. До появления теории относительности их считали независимыми (ньютоновские представления), потом поняли, что они органически связаны друг с другом. Согласно Ньютону пространство и время абсолютны, т.е. св-ва не меняются со временем и не зависят от распределения в-ва, время во всех точках течет равномерно и одинаково. Распределение в-ва в таком пространстве и его движение описывается законом всемирного тяготения. Это пространство называется евклидовым или линейным. Положение тела в пространстве определяется тремя координатами x, у, z, но для описания движения необходимо ввести четвертую координату — время, координаты пространства и время рассматриваются независимо. Процессы рассматриваются обратимые, т.е. знак этого параметра (времени) может меняться на обратный. Для классической механики характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени. Т.е. выходит, что время не влияет на процессы, что не соответствует действительности (с течением времени неизбежно протекают различные необратимые физические процессы).

Все эти положения о времени и пространстве остаются верными в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по этим меркам отрезков времени. Но когда речь заходит об описаниях Вселенной в целом или ее части, или в условиях сильных полей тяготения, то эти представления перестают соответствовать действительности.

Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что реальное пространство во Вселенной неэвклидово, геометрия его меняется со временем, а время течет с разной скоростью в разных точках Вселенной. Понятия пространства и времени соединены в единое понятие пространственно-временной непрерывности. В этом случае состояние любого тела описываются тремя пространственными координатами и четвертой координатой — временной.

Самой простой симметрией является — однородность и изотропность пространства. Это проявляется в том, что любой физический прибор работает одинаково в любой точке пространства если не меняются окружающие физические условия. Т.е. физические законы инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов. Еще одна важная симметрия — однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они не начались. Но эта симметрия нарушается в слабом распаде некоторых элементарных частиц. И хотя эти нарушения очень малы, они играют важную роль в физике элементарных частиц, т.к. приводят к абсолютному различию между частицами и античастицами. Существует кроме того зеркальная симметрия. Так существует зеркальная симметрия строения молекул.

Но самую важную симметрию открыл Эйнштейн, обнаружив всеобщность пространственно-временной симметрии. Т.е. все физические, химические, биологические явления не изменяются при поворотах поворот означает такое изменение координат, когда не изменяются расстояния между точками постоянство распространения света при повороте. Так все симметрии выше названные были объединены в одну всеобщую — все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в четырехмерном пространстве-времени.

Важнейшим следствием симметрии состоит в том, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. В частности закон сохранения энергии есть строгое следствие однородности времени (полная энергия замкнутой системы тел остается неизменной), а закон сохранения импульса (в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов остается постоянной) следует из однородности пространства. То же относится к законам сохранения вещества и заряда. (В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной).

7. Микро мир. Проявление волновых и корпускулярных свойств микрочастиц. Дуализм в микромире

Невидимый нам микромир состоит из мельчайших частиц материи — электронов, протонов, нейтронов, атомов и т.д. Свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства привычного макромира. Свойства микрочастиц невозможно описать с позиций классической физики, поэтому возникла принципиально новая физика — квантовая механика.

Изучение свойств света показал, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства. Такие явления как дифракция и интерференция объясняются волновыми свойствами, а фотоэффект — корпускулярными. В результате возник так называемый корпускулярно-волновой дуализм, распространенный на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и т.д. Движущийся по орбите электрон можно рассматривать с одной стороны как корпускулу (с определенной массой, энергией, зарядом) и с другой стороны — как некую волну, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз. При изучении явления фотоэффекта было установлено, что с поверхности электронами выбиваются порции света, свет излучается и поглощается квантами света, названными фотонами. Энергия фотона с одной стороны определяется формулой Е=hy (y - частота, h - постоянная Планка). С другой стороны энергия может быть выражена через массу m и скорость света c — Е=mс². Т.е. фотон также как и электрон имеет и волновые свойства и корпускулярные, но не имеет заряда. Масса покоя фотона равна нулю, т.е. он не существует в состоянии покоя.

Можно предположить, что всякому телу с массой m, движущемуся со скоростью u соответствует длина волны l= h/mu. Но для тел со значительной массой длина волны ничтожно мала и ее невозможно зафиксировать.

Таким образом деление материи на две формы — вещество и поле довольно условно. Частицы вещества обнаруживают признаки волны и корпускулы, и электромагнитное излучение обнаруживает те же свойства. Это явление получило название дуализма волны и корпускулы. Экспериментально дуализм подтверждается, например, дифракцией электронов на кристалле никеля, т.е. частица проявляет волновые св-ва.

8. Особенности описания законов микромира. Волновая функция. Принцип суперпозиций, неопределенности и дополнительности

Особенностью микромира, состоящего из мельчайших частиц (электронов, протонов, нейтронов, атомов, и т.д.) является то, что им присущи как волновые так и корпускулярные свойства, те проявление дуализма. Вследствие этого невозможно применение понятий и принципов классической физики. Попытки описать и объяснить объекты микромира привели к появлению квантовой механики, т.к. классическая физика не в силах была объяснить дуализм волны и частицы. Кроме того особенностью микромира является то, что при экспериментах неизбежно макроприборы и инструменты исследователей влияют на микрообъекты. Подобное воздействие не учитывается в классической физике.

Принципиальное отличие описания законов микромира заключается в вероятностном характере этих описаний. Это означает, что нельзя точно предсказать место нахождения, например, электрона. Можно оценить лишь его шансы попадания в определенную точку. Поэтому применяются методы и понятия теории вероятности. В квантовой механике любое состояние описывается с помощью «волновой функции» (Y), но в отличие от классической физики эта функция определяет параметры будущего состояния не достоверно, а с определенной степенью вероятности. Например, говорят о вероятностном распределении значений, а не о конкретных значениях. Значение волновой функции становиться ясным из утверждения: вероятность нахождения электрона в определенном месте равно квадрату модуля волновой функции. В основе квантовой механики лежит принцип неопределенности.

Суть принципа неопределенности заключается в следующем: если мы стремимся определить одну из сопряженных величин, например, координату x, то значение другой величины, нельзя определить с такой же точностью. Принцип неопределенности выражается формулой Dx Dp =h, где произведение приращения координаты и приращение импульса равно постоянной Планка. Или словами: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.

В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств датский физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием. Опираясь на этот принцип возможно понять и объяснить многие явления, например дифракцию электрона на никелевом кристалле.

Принцип суперпозиций заключается в следующем: в каждой точке результат от действия нескольких источников (например, волн) в любой момент равен сумме результатов действий каждого источника в отдельности.

9. Виды взаимодействий. Вещество и поле. Виртуальные частицы

Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, т.е. материя состоит из мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами считались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.

Между элементарными частицами существуют взаимодействия. По интенсивности это взаимодействие подразделяется на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

1. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно и обуславливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.

2. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивное и определяет связь между электронами и ядрами в атоме, и между атомами в молекуле.

3. Слабое взаимодействие наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, например, распад квазичастиц.

4. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях и определяется малыми массами частиц, что дает малый эффект, который возрастает с увеличением массы.

В квантовой механике каждой частице вещества соответствует волна, т.е. каждой частице можно сопоставить свое поле. А если этих частиц много, например, электронов с одинаковыми энергиями и импульсами, то и волны одинаковы. И это значит, что эта среда является полем. Это поле можно описать математически с помощью функции координат и времени. Например фотон описывается электрическим полем Е(x, y, z, t) и магнитным полем H(x, y, z, t). Фотон — это квант электромагнитного поля, а электрон и позитрон — электрон-позитронного поля. Эти поля переменные, но существуют и постоянные (статические) электрические и магнитные поля, например магнитное поле Земли. Но все это разные формы проявления электромагнитного поля. Кроме того в природе существует гравитационное поле, создаваемое материальными телами. Гравитационное поле пропорционально массе. Гравитационные волны пока не обнаружены.

Элементарные частицы (кроме фотонов) могут подразделяться по типам взаимодействия: на адроны, для которых характерно сильное взаимодействие и лептоны, для которых характерно слабое и электромагнитное взаимодействие. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни они делятся на стабильные (электрон, фотон, протон и нейтрино), квазистабильные и нестабильные частицы.