енкм конспекты. картинка мира.. все конспекты. Понятие и свойства науки
 Скачать 233.08 Kb.
|
Основные понятияФундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное. Гравитационная постоянная. Закон Всемирного тяготения. Сила космологического отталкивания. Закон Кулона. Заряд электрона. Фундаментальные постоянные. Электромагнитное излучение. Дальнодействие и близкодействие. Вещество и поле. Электромагнитное и гравитационное поля. Физический вакуум. В основе всяких природных явлений лежат силы. Постоянно мы сталкиваемся с силами трения, упругости. Живем в поле силы тяжести, магнитном поле Земли, электромагнитных полях естественного и искусственного происхождения. Электронный пучок в телевизоре или мониторе компьютера отклоняется силами электрических и магнитных полей. Мы окружены проводами, по которым течет переменный ток. Все эти и многие другие силы определяются тем или иным типом взаимодействий. И, несмотря на кажущееся множество сил в природе, до сих пор обнаружено лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий. Фундаментальные взаимодействия связаны с разными источниками и существенны на разных расстояниях от источника (табл. 1). Радиус влияния дальнодействующих взаимодействий охватывает Вселенную, короткодействующие взаимодействия заметны лишь в пределах атомного ядра. Но и те, и другие определяют существование нашего мира. Таблица 1 Фундаментальные взаимодействия
Физике XVIII века было известно только гравитационное взаимодействие. По закону всемирного тяготения, сформулированному Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии» (1687 г.), две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними (1). Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной. Числовое значение этого коэффициента было впервые определено Г. Кавендишем (1731–1810) в 1798 г. по измерению силы притяжения двух массивных шаров. Согласно современным данным мкгс. Гравитационные силы действуют на все объекты Вселенной от галактик до элементарных частиц. Ньютоновская теория тяготения явилась величайшим достижением естествознания. Она позволила с большой точностью описать обширный круг явлений: движение тел Солнечной системы, поведение галактик, звездных скоплений, предсказать существование таких планет, как Нептун и Плутон. Отметим, что современные представления о Вселенной и микромире позволяют утверждать, что гравитационная постоянная является универсальной, фундаментальной величиной, ее значение одинаково во всех доступных для наблюдения точках Вселенной. Именно это значение определяет фундаментальное гравитационное взаимодействие. Согласно закону всемирного тяготения (1), сила зависит только от взаимного положения тел в данный момент времени, то есть гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно. Сегодня мы знаем, что это не так. Скорость распространения любого взаимодействия не может превышать скорость света. При создании общей теории относительности для объяснения стационарности (как считалось в начале ХХ века) Вселенной А. Эйнштейн предположил, что массы не только притягиваются, но и отталкиваются, причем эффект отталкивания проявляется только в масштабах Вселенной. косм Cила космологического отталкивания – косм (2) должна быть пропорциональна расстоянию R между взаимодействующими массами и массе М отталкиваемого тела (но никак не связана с массой отталкивающего тела!). По оценкам постоянная L, определяющая отталкивание (2), будет в раз слабее гравитационного притяжения. Для двух галактик с массами кг, находящихся на расстоянии м (около 10 миллионов световых лет) гравитационное притяжение и космологическое отталкивание будут примерно равны. После обнаружения факта расширения Вселенной, о предложенном Эйнштейном космологическом взаимодействии забыли. Но сегодня наблюдения за Мегамиром обнаружили некий порядок в расположении звезд и Галактик. Существует ли космологическое, определяющее крупномасштабную структуру Вселенной, взаимодействие? Фактов, доказывающих это, нет. Как нет и фактов, отвергающих возможность его существования. Простейшие электрические и магнитные явления были известны в древние времена – янтарь, потертый о шерсть притягивал легкие предметы, куски железной руды притягивали железо и друг друга. Но только в 1600 году У. Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. В XVII веке появилось понятие электрического заряда. Закон, определяющий силу, с которой взаимодействуют неподвижные точечные заряды, был сформулирован (в 1773 г., результаты опубликованы лишь в 1879 г.) Г. Кавендишем (1731–1810) и (в 1785 г.) Ш. Кулоном (1736–1806) и носит название закона Кулона. В соответствии с этим законом два точечных заряда Q, расположенные на расстоянии R друг от друга, взаимодействуют с силой F При этом направление действия силы (притяжение или отталкивание) зависит от такой характеристики взаимодействующих зарядов как знак (положительный или отрицательный). Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются. Сила электростатического взаимодействия (3) зависит от универсальной постоянной – заряда электрона. Электрон (открыт в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856–1940)) является материальной частицей, носителем наименьшей массы и наименьшего электрического заряда. Заряды Q, входящие в (3), кратны заряду электрона. Интенсивность электромагнитного взаимодействия зависит от так называемой постоянной тонкой структуры Три фундаментальные постоянные – скорость света c, постоянная Планка h и заряд электрона е связаны друг с другом! Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, электрическими токами. Это стало ясно после фундаментального открытия в 1820 г. датского физика Х. Эрстеда (1777–1851), выявившего действие электрического тока на магнитную стрелку. В том же году А. М. Ампер (1775–1836) открыл закон взаимодействия электрических токов. Мы знаем, что любой магнит имеет два полюса (условно называемые северным и южным). Однако существуют теории, показывающие возможность полной симметрии электростатического (покоящиеся электрические заряды) и магнитостатического (покоящиеся магнитные заряды) взаимодействий. Магнитного заряда (так называемого «монополя») не обнаружено. Ускоренно движущиеся заряженные частицы отдают энергию в виде электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение, имеющее длины волн от м до м, воспринимается нами как видимый свет (границы этого диапазона индивидуальны, слегка различаются для разных людей). Телевизионные станции вещают в диапазоне метровых и дециметровых волн. Рентгеновские лучи имеют длины волн менее м. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру и поведение атомов, отвечает за связи между молекулами (то есть определяет химические и биологические процессы). Если гравитационное и электромагнитное взаимодействия являются дальнодействующими, распространяющимися на всю Вселенную, то слабое и сильное взаимодействия проявляются только в пределах атомного ядра и являются короткодействующими. Частицы, входящие в состав атомного ядра, протоны и нейтроны (обобщающее название – нуклоны), удерживаются ядерными силами. Природа этих сил стала ясна относительно недавно. Я  понский физик Х. Юкава (1907–1981) в 1935 году для объяснения сильного взаимодействия нуклонов предложил теорию мезонного поля, основанную на обмене нуклонов мезонами (имеющими массу 273 электронов, обнаружены в 1947 г.). Ядерные силы возрастают при сближении нуклонов. На расстояниях меньше или порядка м эти силы значительно превышают электромагнитные. Именно поэтому протоны, входящие в состав ядра, не разлетаются. Этим объясняется малый размер ядра м по сравнению с размером атома м Силы электромагнитного взаимодействия оказываются существенными на расстояниях, превышающих м. Сильные взаимодействия определяют течение ядерных реакций, особенно – термоядерного синтеза.Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процессы, например, такие, как превращение нейтронов в протоны. Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1931 году благодаря, преимущественно, работам Э. Ферми (1901–1954). Из-за слабого взаимодействия свободный нейтрон может существовать не более 10 минут и распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением некоторой энергии (1 миллион эВ). Напомним, что 1 эВ (электрон-вольт) равен энергии, которую имеет электрон, ускоренный разностью потенциалов 1В. Видно, что перечень известных на сегодняшний момент взаимодействий не всегда был таким. Гравитационное взаимодействие открыто в XVII веке, электромагнитное – в XIX веке. Слабое и сильное – в середине XX века. И не ясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Если элементарные частицы и их взаимодействия являются действительно фундаментальными, они должны объяснять наблюдаемые явления не только микромира, но и макромира. Насколько это известно сегодня, поведение звезд и галактик описывается теми же физическими законами, что и поведение элементарных частиц. Своими корнями уходят в физику и химия, и биология. При изучении самых простых явлений физики пытаются найти и выделить закономерности и общие правила, выявить области применения правил, применить их к более сложным (или иным) системам. Так можно перейти от механического упорядоченного движения к хаотическому (тепловому). От него – к микроструктуре вещества. Таким образом, огромная и сложная Вселенная представляется в виде совокупности элементарных частиц, взаимодействующих только четырьмя возможными способами и подчиняющимися небольшому количеству фундаментальных законов. Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое с помощью ощущений, представляет собой материю. По определению философа и политика В. И. Ленина, материя – философская категория для обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующая независимо от них. Это определение может не быть исчерпывающим. Но на сегодняшний день оно отражает описываемое понятие. В классических представлениях в естествознании различают два вида материи – вещество и поле. Что такое поле? Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный, выбранный нами, объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько физических полей, соответствующих типам взаимодействий, – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц. Мы говорили о взаимодействиях, не задав принципиальный вопрос: «Каким образом одно из взаимодействующих тел «чувствует» присутствие другого?». Долгое время считали, что взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство, не принимающее участие в передаче взаимодействия. При этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Это предположение составляет сущность концепции дальнодействия, составлявшую основу классической физики до конца XIX века. Экспериментальные исследования электромагнитных явлений (самых удобных и доступных для изучения) показали, что изменение положения одной из заряженных частиц не ведет к мгновенному изменению положения (и действующих на нее сил) другой. То есть существует некая среда передающая взаимодействие. Эта среда получила название электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте. Это и составляет сущность концепции близкодействия, имеющей отношение и к другим физическим полям. Современные представления дают основания к веществу и полю добавить третий вид материи – физический вакуум. В неживой природе постоянно открывают все новые и новые субатомные частицы, многие детали их поведения остаются неясными. Где предел дробления вещества и существует ли он? Что такое физический вакуум? Пустота? Но пустота – это когда ничего нет. А что такое ничего? С точки зрения техники вакуум (лат. «vacuum» – пустота) – состояние газа, когда длина пробега молекул между последовательными столкновениями становится больше характерных размеров сосуда. То есть, возможна передача энергии не от молекулы к молекуле, а от одной стенки сосуда к другой. Именно поэтому пористые вещества – поролон, обожженная глина, вата и т.п., являются хорошими теплоизоляторами. В абсолютно пустом сосуде (достичь такого состояния невозможно) остается поле и, оказывается, в физическом вакууме могут виртуально, на некоторый промежуток времени, рождаться пары частица и античастица, электрон и дырка (позитрон). При этом выполняются, в общем, законы сохранения. Как исследовать эти состояния? Насколько виртуальные частицы отличаются от реальных? Это проблемы современного естествознания. Мы практически ничего не знаем о происхождении Вселенной. Мало что знаем о Земле. Об особенностях формирования климата, внутреннем строении, составе пород. Почему Мир именно таков, каково будущее этого Мира. В живой природе круг неясного еще шире. Как формируется из неживого живое? Как работает клетка? Почему различаются симметрии живой и неживой природы? Неживая природа симметрична, а живая – асимметрична. Бесконечная цепь вопросов. Разрешение одних ведет к появлению новых. Словарь Близкодействие (или короткодействие) – концепция, согласно которой взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников и с конечной скоростью. Например, в случае электромагнитных взаимодействий таким посредником является электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. Векторные бозоны – класс элементарных частиц с целым значением спина. Являются переносчиками слабого взаимодействия. Могут иметь положительный или отрицательный заряд, или не иметь заряда. В зависимости от этого определяют два типа слабого взаимодействия: заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов. Вещество– было первой формой для описания материи и единственной в Механической системе мира. Вещество состоит из атомов, а между атомами пустота – это концепция атомистического учения Демокрита, поддерживаемая Ньютоном. Именно для вещества И. Ньютон создавал механику – науку о движении тел. Такие характеристики движения как импульс, ускорение связанны с массой тел. Но еще большее значение характеристика массы приобретает в законе Всемирного тяготения: два материальных тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс. Глюон – виртуальные частицы, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия (масса покоя их равна нулю); глюоны «склеивают» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и др. частиц. Гравитационная постоянная – постоянная И. Ньютона, фундаментальная физическая постоянная, константа гравитационного взаимодействия; мскг Гравитационное взаимодействие (гравитация, притяжение, всемирное тяготение) (от лат. gravitas – «тяжесть») – универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых (по сравнению со скоростью света) скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, см. закон Всемирного притяжения, в общем случае описывается общей теорией относительности А. Эйнштейна. Гравитационное взаимодействие имеет не ограниченный радиус действия. В 2016 году были зафиксированы гравитационные волны, изменения гравитационного поля, связанные с движением гигантских масс. Константа взаимодействия порядка \(10^{--39)\; определяет движение планет в звездных системах, движение галактик, управляет эволюцией Вселенной. Гравитоны – одна из последних открытых фундаментальных частиц, первые сообщения о вероятном обнаружении гравитонов опубликованы в 2016 году. Не имеют массы покоя, являются квантами гравитационного поля и переносчиком гравитационного взаимодействия. Дальнодействие – концепция, согласно которой тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером силы, считавшейся одним из примеров непосредственного действия на расстоянии, можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона. Закон всемирного тяготения. По закону всемирного тяготения, сформулированному И. Ньютоном, две массы притягиваются друг к другу с силой F, прямо пропорциональной их произведению и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: здесь G – гравитационная постоянная, – массы тел, R – расстояние между ними. Закон Кулона. В соответствии с законом Ш. Кулона два точечных заряда Q, расположенные на расстоянии R друг от друга, взаимодействуют с силой F. При этом направление действия силы (притяжение или отталкивание) зависит от знака заряда (положительный или отрицательный): здесь ε – постоянная, характеризующая среду, в которой находятся заряды (1 для вакуума), – заряды, R – расстояние между ними. Заряд электрона (элементарный электрический заряд) – фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция электрического заряда, наблюдающегося в природе у свободных долгоживущих частиц кулона (Кл). В настоящее время согласно изменениям определений основных единиц СИ, точно равен Ас Мезон– ядерная частица, имеющая нулевое значение барионного числа. Мезоны – составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны. Японский физик Х. Юкава (1907–1981) в 1935 году для объяснения сильного взаимодействия нуклонов предложил теорию мезонного поля, основанную на обмене нуклонов мезонами (имеющими массу 273 электронов, обнаружены в 1947 г.). Переносчики взаимодействия – частицы полей, ответственных за взаимодействие получили название переносчики взаимодействия. Для электромагнитного – фотоны, для сильного – мезоны, для слабого – векторные бозоны. Поле – форма материи, которая противопоставляется веществу. Фундаментальные поля в современной физике лежат в основе описания всех видов материи. Таковыми, например, являются: электромагнитное поле и гравитационное поле. В каждой точке поля на пробную частицу действует некоторая сила. Более подробно это понятие рассмотрено в теме «Квантовый мир. Двойственная природа микромира». Промежуточные векторные бозоны – виртуальные частицы, являющиеся переносчиками слабого взаимодействия (обладают массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов). Сильное взаимодействие – обеспечивает связь нуклонов в ядре, придавая устойчивость (стабильность) атомных ядер. Константа взаимодействия равна приблизительно радиус действия порядка м (т. е. является короткодействующим и сосредоточено на расстояниях, не превышающих размеры ядра атома), время протекания с Слабое взаимодействие – связано с процессами радиоактивного распада атомных ядер многих изотопов (например, всеми видами бета-распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом). Константа взаимодействия порядка с Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия м называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Играет важную роль в термоядерных реакциях (процессах), ответственных за энерговыделение в звездах, способствуя медленному протеканию ядерных процессов, обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца. Физический вакуум – в квантовой физике низшее энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Квантовая теория поля утверждает, что в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей Фотон – относится к классу бозонов, не имеет массы покоя, представляет квантовое возбуждение электромагнитного поля, не обладает зарядом, но образует его при взаимодействии с другими фотонами. Является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Фотоны – кванты электромагнитного поля – виртуальные частицы, являются переносчиками электромагнитного взаимодействия (масса покоя их равна нулю). Фундаментальные взаимодействия – взаимодействия имеющие обменную природу, т. е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. По своей величине основные фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке (убывания): сильное (ядерное), электромагнитное, слабое, гравитационное. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия. Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами: микромира (сильное, слабое и электромагнитное), макромира (электромагнитное), мегамира (гравитационное). Фундаментальные постоянные – постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи. Скорость света в вакууме 300 000 км/с. Постоянная Планка (элементарный квант действия) Джс Элементарный заряд – заряд электрона Кл Гравитационная постоянная – мкгс постоянная Больцмана (физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией) ДжК Частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий – к ним относятся фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные векторные бозоны;из четырех видов фундаментальных взаимодействий экспериментально установлено существование трех частиц-переносчиков – сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Переносчики гравитационного взаимодействия – так называемые гравитоны – как отдельных частиц на современном уровне техники пока не обнаружены. Их существование предсказывается в некоторых квантовых расширениях Общей теории относительности и других теориях квантовой гравитации. Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических полей, сформулировано квантовой электродинамикой: связывает: электроны и ядра в атомы; атомы – в молекулы; молекулы – в тела; радиус взаимодействия не ограничен (но преобладает в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров). Константа взаимодействия порядка Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) – распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Электромагнитные волны подразделяются на: радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Более подробно смотри тему «Квантовый мир. Двойственная природа микромира». Вещество. Реальность атомов и молекул |