Концепции современного естествознания

Концепции современного естествознания

Идея о возникновении во Вселенной асимметрии между частицами и античастицами впервые была высказана А.Д.Сахаровым.

Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов (нуклонов). Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра.

В отличие от массы электрические заряды ядер строго равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов. Известны ядра с зарядом от 1e до 107e и с числом нуклонов от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами являются ядра с числами протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, получившими название магических.

Плотность массы ядер Радиусы ядер от (ядро гелия) до (ядро урана). Периоды полураспадов изменяются в пределах от лет до с.

Физика микромира описывается квантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускают существования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципе можно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классической пустоты.

Что же останется в “пустом” сосуде? В вакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.

Вакуум - это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означает отсутствия частиц. Как известно, число частиц не сохраняется в реакциях. Сохраняются энергия, электрический, барионный и лептонный заряды, но число частиц может меняться.

Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле - в частицы.

Ну а если не прикладывать энергии и рассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак не связаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источников энергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это не так. Известное соотношение неопределенностей приводит к тому, что на короткое время любая система может перейти в состояние, отличающее на дельта E по энергии.

Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности энергия может переходить в массу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время. Например для протона это время равно около с.

В атомной физике эффекты, вызываемые виртуальными частицами, довольно незначительны. Однако чем более мелкие частицы рассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своими виртуальными частицами. Например, в ядерном веществе протоны имеют меньшую массу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса “налипших” виртуальных пи-мезонов.

На уровне кварков свойства вакуума уже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.

На свехмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Но пока еще невозможно представить себе какие бы то ни было эксперименты при очень больших энергиях и в столь малых масштабах пространства.

При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное - молекулярным.

При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов является правильным. Для них характерно равновесное положение в узлах кристаллической решетки. Их движение сводится к колебаниям вблизи этих узлов.

Геометрия кристаллического состояния отличается необычайным разнообразием, но число типов решеток ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (графит и алмаз). Тела могут сильно различаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.

Подавляющее большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Даже глина состоит из маленьких кристалликов. Свойства твердого тела зависят от строения кристаллического зерна, размера кристалликов, их взаимного расположения и силы, сцепляющей их в единое тело.

Общий порядок в расположении кристаллических зерен называется текстурой. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия.

Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам и по некоторым свойствам они скорее должны быть причислены к жидкостям, нежели к твердым телам. Аморфное тело типа стекла содержит признаки как твердого, так и жидкого тела: расположение атомов обладает лишь ближним порядком, но атом в своем движении остается в неизменном окружении - соседи не обмениваются местами.

К аморфным телам относится большое число органических веществ, например, пластмассы, органические стекла.

“Жидкие кристаллы” или жидкое твердое тело - к этому обширному классу веществ относятся многие органические и биоорганические вещества. Такое состояние наблюдается в определенном интервале температур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость, если охладить - станет кристаллом.

Эти вещества сочетают в себе свойства жидкости и кристалла. Обнаружены два типа жидких кристаллов: в первом расположение молекул обладает ближним порядком, однако все молекулы располагаются параллельно друг другу; во втором - молекулы располагаются слоями.

Мыло, растворенное в воде, образует жидкие кристаллы, с чем связаны его моющие свойства. Мыльный раствор состоит из большого числа двойных слоев молекул.

При повышении температуры происходит фазовый переход кристалл-жидкость (плавление). Каждое вещество имеет свою строго определенную температуру плавления.

В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными. Тепловое движение в жидкостях носит довольно сложный характер.

Молекулы жидкости совершают в основном колебательные движения, положения равновесия не строго фиксированы, но молекула остается в окружении все тех же соседей. Легкость, с которой молекула может менять своих соседей, связана с вязкостью.

При переходе жидкости в пар (испарение) при атмосферном давлении вещество практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разреженных газах по существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.

Дальнейшее повышение температуры ведет к ионизации атомов, т.е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазменным.

Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Макротела астрономического масштаба - планеты. Масса Земли приблизительно г, радиус - 6400 км, средняя плотность 5,5 г/см3. В недрах планет вещество находится под высоким давлением. При сжатии вещества проявляется тенденция “сглаживания” его свойств. Наружные электронные оболочки атомов, ответственные за “индивидуальность”, при давлениях атм перестают существовать, ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятся коллективными.

Земля - планета жидкая. Это утверждение звучит парадоксально, поскольку течения вещества Земли почти незаметны для нас. Они, однако, существуют, их скорость составляет несколько см в год. В результате за 0,5 млрд. лет земная поверхность меняется очень существенно.

По настоящему твердой является только тонкая (20-40 км) оболочка -кора Земли. Вещество на глубинах от 40 до 400 км способно течь под влиянием высоких температур и давлений.

Мантией называют весь слой глубиной от 40 до 2920 км, где температура недр повышается примерно до 4,5 тыс. градусов. Ниже мантии вещество находится в расплавленном состоянии. Это жидкое ядро Земли радиусом 3450 км. Наконец, в самом центре Земли есть еще внутреннее твердое ядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества с плотностью около 13 г/см3.

Кора Земли, называемая литосферой, состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся друг относительно друга. Новая земная кора образуется в районах срединно-океанических хребтов, а старая кора, покрытая трехкилометровым слоем осадков, исчезает, ныряя под континенты.

Взаимные перемещения плит, рождение и разрушение твердой коры Земли сопровождаются землетрясениями. Когда погружающаяся литосферная плита попадает в зону высоких температур, происходят химические реакции, преобразующие ее осадочный слой. При этом образуются газы и водяные пары, которые вулканами извергаются в атмосферу, и возможно, что органическое вещество осадков частично переходит в нефть.

Именно вулканическая деятельность привела к появлению первичной атмосферы Земли, а вода, образовавшаяся при дифференциации вещества мантии, составила Мировой океан.

Солнце: масса г, радиус км, средняя плотность , находится от Земли на расстоянии около см, которое свет проходит за 499 с - это расстояние называют астрономической единицей а.е. Самая далекая от Солнца планета Плутон находится от него на расстоянии около 39,75 а.е.

Центральные области Солнца имеют температуру около K и давление около атм. В этих условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые ядра и свободные электроны. При этом становятся возможными термоядерные реакции (слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия), которые служат источником энергии звезд. Масса Солнца 1030 кг.

Галактики - это звездные системы. Число звезд в них порядка . Наша Галактика состоит приблизительно из звезд. Со стороны она представляет собой диск, утолщающийся к центру. Это диск имеет спиральную структуру и вращается с переменной угловой скоростью, большей в центральных областях диска, меньшей на его периферии.

Расстояния в галактиках измеряются в парсеках. Парсек (пс) около см, или 3,2 светового года = 206265 а.е.

Толщина Галактики вблизи Солнца 2000 пс. Диаметр ее диска 30 000 пс. Солнце вместе с его планетной системой находится вблизи края Галактики, приблизительно в 10 000 пс от ее центра.

Кроме звезд в Галактике имеются и другие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи. Масса Галактики около кг.

По данным спутника “Прогноз-9”, наша Галактика мчится в направлении созвездий Девы и Льва со скоростью более 500 км/с.

Поскольку размеры звезд невообразимо малы по сравнению с галактическими масштабами, то Галактику можно рассматривать как очень разреженный газ, в котором роль молекул играют звезды. Это газ настолько разрежен, что столкновения между его “молекулами” не происходят. Естественно, он не ограничен (?) стенками какого-либо сосуда. Почему же он не разлетается? Ответ заключается в том, что вся эта система держится силами собственного тяготения.

Средняя плотность материи в Галактике около . Средняя концентрация атомов равна 3 атомам на 1 см3. Сравним: в нормальных условиях в 1 см3 газа содержится 2,6x1019 молекул.

Известная нам часть Вселенной содержит около 1011 галактик. Мир галактик во Вселенной довольно разнообразен. Таких галактик, как наша (спиральных), приблизительно 80%. Встречаются неправильные галактики, имеющие достаточно произвольные геометрические очертания, и эллиптические, близкие по форме к эллипсоидам различной вытянутости.

Число звезд различно: карликовые галактики имеют приблизительно звезд, гигантские - до звезд. Большинство галактик подобно нашей имеет звезд.

Одиночные галактики встречаются редко. Подавляющее большинство их образует скопления, насчитывающие сотни и тысячи членов. Скопления не рассыпаются на отдельные галактики благодаря силам собственного тяготения. Как говорят, они являются гравитационно связанными объектами.

Размеры скоплений галактик исчисляются мегапарсеками (Мпс), т.е. миллионами парсек.

Скопления галактик, в свою очередь, образуют сверхскопления, содержащие десятки членов. Может быть такой процесс будет продолжаться без конца? Оказывается, нет. Согласно данным современных астрономических наблюдений, сверхскопления являются наиболее крупными структурными образованиями в Метагалактике - наблюдаемой части Вселенной.

Галактики, их скопления и свехскопления - это элементы ячеистой структуры Вселенной. Размеры ячеек - сотни мегапарсек, толщина их стенок порядка 2-4 Мпс. Крупные скопления располагаются в узлах ячеек. Сверхскопления представляют собой элементы этой ячеистой структуры.

В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна. Более того, можно утверждать, что в таких масштабах она вообще однородна и изотропна, т.е. ее свойства везде одинаковы.

Всегда ли распределение материи во Вселенной было и будет таким, как сейчас? Ответ отрицателен, потому что Вселенная эволюционирует.

Всякая наука стремится свести к минимуму число принципов или законов, лежащих в ее основе. Значение вариационных принципов заключается в том, что каждый из них заменяет несколько частных законов. Например, принцип Ферма эквивалентен отражения и преломления света, принцип наименьшего действия - законам механики.

Открытие вариационных принципов имеет многовековую историю. Герон Александрийский (I в.) сформулировал следующий оптический постулат: ”Скажу, что из всех лучей, падающих из данной точки и отражающихся в данную точку, минимальны те, которые отражаются под равными углами”. (Для сферических зеркал постулат Герона не всегда верен).

В XYII веке знаменитый французский математик П.Ферма сформулировал принцип, представляющий обобщение утверждения Герона: ”свет всегда идет по пути, требующему для своего прохождения минимального времени”.

Вариационные принципы механики ведут начало своей истории с конца XVII в.(И. Бернулли) и первой половины XVIII в. - французский ученый П.Мопертюи выдвинул вариационный принцип механики - принцип наименьшего действия. Согласно этому принципу, “путь, которого свет придерживается, является путем, для которого количество действия будет наименьшим”. Под действием Мопертюи понимал произведение скорости на длину пути.

Л.Эйлер, Ж.Лагранж и У.Гамильтон придали понятию действия содержание, используемое и сейчас. Произведение скорости на длину пути можно преобразовать в произведение квадрата скорости на время, заменив путь произведением скорости на время. Если ввести еще постоянный множитель, равный массе тела, деленной на 2, то получим произведение кинетической энергии на время, что и стало определением действия при отсутствии сил. При наличии сил действие равно среднему значению разности между кинетической и потенциальной энергией, умноженному на время движения. Был создан специальный математический аппарат для решения задач, связанных с применением принципа Ферма, или принципа наименьшего действия. Этот аппарат получил название вариационного исчисления, а соответствующие принципы стали называться вариационными принципами.

Понятие действия приобрело в физике особое значение после введения в 1900 г. немецким физиком М.Планком, основателем квантовой физики, кванта действия, равного фундаментальной постоянной h.

Сопоставление принципов Ферма и Мопертюи натолкнуло французского ученого Л. де Бройля в 1920-х гг. на идею о наличии у частиц вещества волновых свойств, что вскоре было подтверждено на опыте.

Э.Шредингер провел глубокий анализ вариационных принципов оптики и механики и ввел уравнение, носящее его имя.

Значение вариационных принципов заключается в том, что, зная действие и пользуясь этими принципами, можно вывести уравнение движения для любой системы.

Развитие ньютоновской теории способствовало становлению детерминистского взгляда на природу. Согласно этому мировоззрению, можно определить положения и скорости всех тел в замкнутой системе в какой-то момент времени, и если известны все силы взаимодействия между телами, то можно полностью рассчитать поведение системы в будущем. Иными словами, будущее системы предопределено.

На практике провести такой расчет невозможно. Даже если положение только одного тела в системе определено с малейшей неточностью, в результате взаимодействия этого тела с другими неточность будет расти постепенно по величине, так что по прошествии достаточно длительного времени поведение системы будет существенно отличаться от предсказываемого законами Ньютона.

Однако кроме этой практической трудности, существует еще и другое, принципиальное ограничение, обусловленное квантовой теорией и принципом неопределенности. При этом физикам приходится иметь дело с вероятностями.

В 1927 г. В.Гейзенберг, анализируя возможность измерения координаты и импульса электрона, пришел к заключению, что условия, благоприятные для измерения положения, затрудняют нахождение импульса, и наоборот -эти два понятия дополнительны друг другу.

Соотношение DpxxDx>=h называют соотношением неопределенностей. Иными словами, координата и скорость частицы не могут иметь одновременно строго определенных значений. Указанное обстоятельство ведет к тому, что если в некоторый момент времени известна координата электрона, то уже в следующий как угодно близкий момент времени его координата становится совершенно неопределенной. Мы вынуждены говорить лишь о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства. Понятие траектории электрона в этих условиях полностью теряет смысл.

Соотношение неопределенностей имеет весьма общее значение и применимо не только к электронам, но и к другим микрообъектам.

Еще одним примером соотношения неопределенностей является связь между неопределенностями в энергии и времени.

Дополнительными являются угловое положение вращающегося тела и его момент количества движения.

Соотношение неопределенностей - частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 (28) году: если в каком-либо эксперименте мы можем наблюдать одну сторону физического явления, то одновременно мы лишены возможности наблюдать дополнительную к первой сторону явления.

Принцип дополнительности Бор применял во многих областях. Так, например, физическая картина явления и его математическое описание дополнительны. Создание физической картины требует пренебрежения деталями и уводит от математической точности, а попытка точного математического описания затрудняет его ясное понимание.

Квантовая механика не дает однозначного ответа на некоторые вопросы, а лишь предсказывает вероятность того или иного результата.

Принципиальная неопределенность некоторых величин есть следствие применения классических понятий к описанию неклассических объектов.

Обычно под термином “симметрия” понимают либо зеркальную симметрию (левое - правое), либо центральную.

В физике под этим термином понимают неизменность не только предметов, но и физических явлений, и не только при отражении, но и вообще при какой-либо операции - при переносе установки из одного места в другое или при изменении момента отсчета времени.

Самая простая симметрия - однородность и изотропность (эквивалентность всех направлений) пространства. Она означает, что любой физический прибор - часы, телевизор, телефон - должен работать одинаково в разных точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия. То же самое относится и к повороту прибора, если отвлечься от силы тяжести, которая выделяет на поверхности Земли вертикальное направление.

Физические законы должны быть инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов.

Еще одна важная симметрия - однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они ни начались.

Законы природы не изменяются и от замены направления течения времени на обратное (разбивающееся яйцо! и молекулы в малом объеме газа).

Симметрия, связанная с изменением направления течения времени, приближенная: ее нарушение наблюдается в слабых распадах некоторых элементарных частиц - нейтральных К-мезонов.

Зеркальная симметрия (волчок, закрученный направо, ведет себя так же, как волчок, закрученный налево) явлений природы неточная, как и большинство других симметрий. В слабых взаимодействиях, ответственных за радиоактивный распад, она нарушается.

Из определенных принципов симметрии выводятся некоторые из законов сохранения.

Прямым следствием симметрии относительно переноса в пространстве является закон сохранения импульса (количества движения).

Импульсом, или количеством движения тела, называют произведение его массы на вектор скорости: p = mv. Для замкнутой системы величина полного импульса P сохраняется. Закон сохранения импульса связан с фундаментальным свойством пространства - однородностью, т.е. равноправием всех точек пространства.

Прямым следствием симметрии относительно вращения является закон сохранения момента импульса.

Прямым следствием симметрии относительно переноса во времени является закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии был точно проверен не только для перехода механической энергии в тепловую, но и для перехода в химическую и электромагнитную, а также для перехода электрической или химической в тепловую.

Закон сохранения энергии является строгим следствием равномерности хода времени. Ход времени определяется относительной скоростью протекания различных процессов в природе. Любое измерение интервала времени означает сравнение ритмов разных процессов. Равномерность хода времени означает, что всегда относительная скорость протекания всех процессов в природе одинакова. Равномерность хода времени установлена на примере излучения атомов. Атомы на звезде излучают свет такой же длины волны, как и атомы сегодняшнего дня, даже если свет был излучен миллиард лет тому назад.

Закон сохранения вещества (массы) после того, как была установлена связь массы с энергией, превратился в закон сохранения энергии.

Важнейшее следствие симметрии состоит в том, что каждой симметрии, как внутренней, так и пространственной, соответствует свой закон сохранения.

Существует еще один закон сохранения: полное число тяжелых частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным в природе.

1. Адлер С.Л. А.Д.Сахаров и индуцированная гравитация/ Природа,1990,8

2. Барабаш А.С. Двойной b-распад и его поиски/ Природа, 1995, 2

3. Бергстром Л., Рубинштейн Г. AMANDA на Южном полюсе: антарктические нейтрино/ Природа, 1996, 11

4. Бисноватый-Коган Г.С. Пульсары - новые открытия и проблемы/ Природа, 1995, 2

5. Бисноватый-Коган Г.С. Порядок и беспорядок в астрофизике. Природа,

6. 1996, 6

7. Варшалович Д.А., Потехин А.Ю. Спектроскопия квазаров и космология/Природа, 1995, 4

8. Гордеев В.А., Кутень С.А. Круглый ли атом водорода?/ Природа,1990,3

9. Горелик Г.Е. О сохранности законов сохранения/ Природа, 1992, 7

10. Далькаров О.Д., Воронин А.Ю. Исследование антиматерии - реальность и перспективы. Природа, 1994, 12

11. Комар А.А. Нейтрино с массой 17 кэВ?/ Природа, 1991, 8

12. Комар А.А. Зарницы суперсимметрии/ Природа, 1992, 5

13. Комар А.А. Проект AMANDA/ Природа, 1996, 11

14. Кулакова Н.В. Уточняется постоянная Хаббла/ Природа, 1995, 10

15. Мирабель И.Ф. “Великий аннигилятор” в центральной области галактики. Природа, 1993, 6

16. Морозов А.Ю. Теория струн и фундаментальные взаимодействия/ Природа, 1990, 1

17. Печерникова Г.В. Проблема образования дальних планет/ Природа, 1992, 9

18. Рубченя В.А., Явшиц С.Г. Тройное деление тяжелых ядер/ Природа, 1991,5

19. Сахаров А.Д. Симметрия Вселенной/ Природа, 1990, 8

20. Смирнов А.Ю. Резонансные переходы нейтрино в веществе/ Природа, 1991,6

21. Сонин А.С. Грустная судьба великого открытия (о Фридмане). Природа,

22. 1993, 5

23. Судьба космогонических идей О.Ю.Шмидта/ Природа, 1991, 9

24. Цыган А.И. Электрические поля нейтронных звезд. Природа, 1994, 8

Картина мира, которую начали создавать Галилей и Ньютон, а завершали Фарадей, Максвелл и Эйнштейн, отражала философские воззрения, которые брали начало еще от древних: природа не делает скачков. Эти представления основывались на непрерывности процессов.

Это мнение изменила квантовая теория, согласно которой вещество при излучении испускает энергию конечными порциями - квантами. Энергия кванта равна произведению постоянной Планка на частоту излучения.

Луи де Бройль писал: ”День, когда была введена постоянная Планка, остается одной из замечательных дат в истории человеческой мысли”.

С постоянной Планка вошло в науку представление о дискретности энергии в микромире; постоянная Планка оказалась связанной с понятием о строении атома.

Каково строение атома? Известно, что на основе экспериментальных данных Резерфордом была создана планетарная модель атома. Это была последняя наглядная его модель. Предложенная Резерфордом модель была катастрофой для классической физики.

Согласно представлениям электродинамики Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому очень быстро упасть на ядро. Получалось, что с признанием модели атома Резерфорда следует пересмотреть классическую электродинамику, которая уже стала основой электромагнитной картины мира. Резерфорд понимал, что “его” атом обречен.

Но в 1913 году Резерфорду пришел пакет от молодого Нильса Бора с наброском его первой работы по квантовой теории строения атома. В этой статье Бор писал:”...существование мира постоянно доказывает, что атом - устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокруг ядра, вопреки

Максвеллу-Лоренцу, не излучают непрерывно. Так, если это не происходит и они, обессиленные не падают на ядро, не проще ли предположить, что в атоме есть пути, на которых электроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты! Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать...” По существу в этих словах выражено содержание знаменитых постулатов Бора, от которых и началась квантовая механика - новая физика.

Бор считал, что электрон, как и микрочастица в классической физике, движется по определенному пути. Эти пути - стационарные орбиты - Бор определял при помощи главных квантовых чисел. Атом может излучать энергию только тогда, когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую, причем эта энергия излучается в виде кванта.

Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бором, позволила объяснить многие факты, но возникло так много новых вопросов, на которые, как казалось физикам, невозможно было ответить. Эйнштейн писал: ”Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было строить...”

Ответ физики нашли, но для этого пришлось отказаться от прежних представлений о микропроцессах. В механической и электромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, их скорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любой заданный момент времени. В современной картине мира совершенно другой взгляд и на сами микрочастицы, и на их поведение.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. предложил рассматривать дискретные состояния электрона в атоме как волновые явления. Это давало возможность объяснить, почему электрон при своем движении вокруг ядра не излучает энергию (стоячая волна не излучает и не поглощает энергию). Вскоре была открыта дифракция электронов, что подтвердило наличие у них волновых свойств.

Математическое обоснование волновой модели атома дал австрийский физик Эрвин Шредингер. Решение составленного им для описания движения микрочастиц уравнения дает значения величины, известной в физике под названием пси-функции или волновой функции. Эта функция описывает движение электрона. Это движение не подчиняется законам механики Ньютона: если бы мы создали двум электронам абсолютно одинаковые начальные условия, то дальнейшее их движение могло бы быть совершенно различным, чего законы механики не допускают.

Поведение элементарных частиц вероятностное. Обусловлено это тем, что элементарным частицам присущи свойства корпускулы и волны. Для них невозможно с абсолютной точностью одновременно определить координату и импульс, изменение энергии и интервал времени, на протяжении которого происходит это изменение. Соотношения, которые дают возможность увидеть, как связаны между собой неопределенности при определении координаты и импульса, энергии и времени жизни микрообъекта введены в 1927 г. В.Гейзенбергом.

Оказалось, что не только макроскопические законы, определяющие массовый результат поведения микрочастиц, носят статистический характер, но и законы, определяющие поведение частиц в каждый момент времени и в каждой точке, являются статистическими.

Борьба идей дискретности и непрерывности материи завершилась слиянием обеих идей в представлении о свойствах элементарных частиц.

В механической и электромагнитной картинах мира элементарным понятием было движение себетождественной частицы. В МКМ такой частицей был атом, в ЭКМ на роль “абсолютных атомов” (неделимых и неизменных частиц, из которых состоит все сущее) претендовали электрон и протон.

Но открытие нейтрона в 1932 году привело к выводу, что в ядре атомов нет электронов и, значит, они образуются в результате распада нейтрона. Позитроны, открытые в космических лучах, дали возможность наблюдать такие удивительные процессы, как превращение электрон-позитронной пары в фотоны или, наоборот, превращение фотона большой энергии в электрон-позитронную пару.

Эксперименты в области физики высоких энергий изменили представление о мире... Начиная с Демокрита, атомисты объясняли бесконечное разнообразие вещей соединением и разъединением их частей, в этих процессах конечными и неделимыми частицами представлялись атомы. В их вечности и сохранении их числа усматривались доказательства вечности мира.

А в чем же мы видим опору для понимания несотворимости и неуничтожимости мира? Можем ли мы элементарные частицы считать “конечными частицами” материи аналогично тому, как атомисты представляли вечные и неделимые атомы?

Чтобы ответить на этот вопрос, подумаем, чем отличается понятие делимости в классической и современной физике.

Представим себе мысленный эксперимент, в котором моделью “конечной частицы” материи служит тарелка. Возьмем две тарелки и ударим одну о другую. С точки зрения классической физики возможны два случая:

1) тарелки останутся целыми, и тогда они “неделимы”; 2) тарелки разлетятся на кусочки, сложим их - форма тарелок восстановится; масса кусочков равна массе исходной тарелки. Тарелка делима.

Если бы набор посуды имел свойства элементарных частиц, мы наблюдали бы нечто совершенно иное.

Представим себе, что мы ударяем одну тарелку о другую. И ничего не происходит. Ударяем их с большей силой, и вот результат: у нас в руках оказываются две тарелки и одна чашка!

Можно ли их считать осколками двух тарелок? Конечно, нет... Эти образовавшиеся “элементарные частицы” имеют также статус элементарных частиц, как и исходные. Интересно, что масса образовавшихся частиц не обязательно равна массе исходных: она может быть как больше их массы, так и меньше, в зависимости от условий, в которых происходило взаимодействие.

Элементарные частицы - это более или менее стабильные образования материи, которые не делятся на осколки. Основное свойство ЭЧ - взаимопревращаемость. Мы не называем их “конечными частицами” материи и не пытаемся найти “конечные частицы”. Чем глубже мы продвигаемся в направлении увеличения концентрации энергии, тем дальше от нас отодвигается мираж конечных сущностей, “исходных кирпичиков мироздания”.

В современной картине мира ЭЧ - это простейший элемент данного поля, или просто “квант данного поля”. Поля современной физики можно сравнить со стихиями в картине мира древних мыслителей. Если они считали фундаментальными сущностями четыре стихии (землю, воду, воздух, огонь), то современная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявление четырех видов взаимодействий.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны в атомах и атомы в молекулах.

Слабому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторых частиц и за процессы с участием нейтрино.

Гравитационное взаимодействие действует между всеми материальными объектами.

Свести все разнообразные силы к единой основе, к чему стремилось человеческое знание на протяжении всего развития науки, современной физике пока не удалось.

Произнося слово “вакуум”, мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое в повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц с массой me около с. Эта величина очень мала и говорит они не столько о “жизни”, сколько о кратковременном всплеске жизни весьма странных частиц и связанных с ними полей.

Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в раз больше массы протона). Такие частицы могут рождаться при температуре K. Существуют проекты огромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеются подтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

Одно из удивительных свойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии “раздувающейся Вселенной”.

Космология - раздел (?) астрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космология возникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюдений показывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления и сверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионов парсек. В еще больших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселенной распределено однородно.

Эйнштейн построил на основе своей теории космологическую модель статичной Вселенной. Исходной гипотезой было предположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А.Фридман доказал, что статичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решения уравнений ОТО. В общем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям, а к моделям, зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э.Хаббл установил, что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная расширяется.

Судьба Метагалактики зависит от средней плотности вещества. Средняя плотность определена как тогда как критическое значение плотности равно . Однако вполне возможно, что в галактиках существует скрытая масса вещества и действительное значение средней плотности выше критической. Кроме того, если масса покоя нейтрино не равна нулю, как это доказывают физики во главе с В.А.Любимовым, то во Вселенной могут существовать огромные нейтринные запасы: общая масса нейтрино может в 30 раз превысить массу обычного вещества (на один протон приходится почти миллиард нейтрино, а их общая масса в 30 раз больше массы одного протона).

Будет ли расширение Вселенной неограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силами тяготения. Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Критическое значение плотности, при котором расширение в будущем сменится сжатием, равно . Средняя плотность по данным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно, Вселенная должна расширяться все время.

Однако во Вселенной возможно имеется много невидимого вещества и средняя плотность может быть близка критической.

Поскольку наблюдения показывают, что галактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они были расположены теснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообще отдельных небесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, а плотность его была очень большой. Вселенная начала расширяться млрд. лет назад. При этом центра расширения не было. Все точки во Вселенной равноправны. Что было до начала расширения Вселенной, пока до конца не выяснено, так как при очень больших плотностях материи вступают в действие еще не известные нам законы природы.

В настоящее время большинство исследователей считают, что в начале расширения Вселенной материя была очень плотной и очень горячей - теория горячей Вселенной. Согласно этой теории Вселенная напоминала гигантский ускоритель “элементарных” частиц. Началом работы этого ускорителя частиц был Большой Взрыв, следствием которого является наблюдаемый в настоящий момент разлет галактик и их скоплений.

В отличие от обычного взрыва астрономический взрыв произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве.

Пока мало что известно о том, что происходило в первую секунду после начала расширения и еще меньше о том, что было до начала расширения. Общая схема последующей эволюции Вселенной представляется следующим образом.

Эра адронов длилась примерно от Атомов не было, но существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны и нейтрино различных типов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а также античастицы и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось в термодинамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества в единице объема было равно числу находящихся там же фотонов.

Главным событием адронной эры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов было несколько больше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качестве строительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длилась примерно от Температура уменьшилась до K, а плотность стала равной Лептоны аннигилировали: мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. В результате, качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино, которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях. После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам и тратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаяся энергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. В конце лептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов и нейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядер водорода.

Эра радиации длилась от t=10 с до примерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной а температура уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий - отрыв излучения от вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывом электронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится до сих пор. После отрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезд и планет.

Перед космологией стоят задачи узнать, почему началось расширение Вселенной, что было до этого, как образовались галактики и многое другое.

А был ли Большой Взрыв? Академик Я.Б.Зельдович (1983):”Теория “Большого Взрыва” в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца”.

На чем основана уверенность в справедливости теории “горячей Вселенной”?

Прежде всего отметим те данные, которые не противоречат этой теории.

Возраст Солнечной системы около 4,6 млрд. лет. Возраст самых старых звезд близок возрасту нашей и других галактик - 10-15 млрд. лет. В прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Распространенность химических элементов близка к соотношению, которое возникло во времена первичного термоядерного синтеза.

Но главным подтверждением теории “горячей Вселенной” считается открытие реликтового излучения. После “отрыва” излучения от вещества и последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому астрофизик И.С.Шкловский предложил назвать это излучение реликтовым. А.Пензиас и Р.Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию за открытие этого излучения (1965).

Не все ученые согласны с идеей Большого Взрыва. К их числу относятся такие известные астрофизики, как Х.Альвен (Швеция), Д.Нарликар (Индия) и др.

Дж.Б.Мэрион (1975): Основная трудность состоит в том, что в лаборатории нельзя провести контролируемый космологический эксперимент - мы должны полагаться на наблюдения над объектами, которые лежат на фантастических расстояниях от нас и на которые мы никак не можем влиять. Мы не знаем сколько-нибудь точно массу или размеры Вселенной. Мы не знаем, будет ли наблюдаемое расширение Вселенной продолжаться бесконечно. Мы не знаем, существует ли во Вселенной в каких-либо значительных количествах антивещество, существуют ли антигалактики. Мы не знаем природы квазаров, излучающих гигантскую энергию. Мы знаем не слишком много о деталях эволюции звезд после стадии красного гиганта. Мы не можем понять, почему в космосе существуют молекулы. Мы не имеем надежной теории космических лучей сверхвысоких энергий. И, разумеется, мы ничего не знаем о происхождении Вселенной, хотя имеющиеся данные указывают на то, что ее расширение - это результат происшедшего около 10 млрд. лет назад чудовищного взрыва, мощь которого даже невозможно себе представить. Но откуда взялось это гигантское количество изначальной энергии?

Со времен Коперника люди стали понимать, что наша планета и ее обитатели не занимают какого-либо привилегированного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике. Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы и Галактики, а фундаментальные свойства Вселенной удивительно “подстроены” под тот жесткий набор требований, без которого не могли бы возникнуть ни галактики, ни ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум во Вселенной.

Мы живем в эволюционирующей Вселенной. Появление жизни и разума в нашей Вселенной стало возможным на определенном этапе ее эволюции. Если бы эволюция космический материи происходила несколько иначе, то не было бы ни наблюдаемой структуры Вселенной, ни нас как наблюдателей.

По существу, в современной космологии появился новый взгляд на Вселенную, новый принцип. Согласно известному ранее космологическому принципу, Вселенная выглядит почти одинаково из любой точки пространства (идеальный принцип требует, чтобы Вселенная выглядела совершенно одинаково и в любой момент времени). Теперь же к этому принципу добавляется новый - его называют антропным принципом. Сформулировать его можно разным способом, например: это принцип отбора только тех начальных условий (из всех имеющихся на ранней стадии Вселенной), которые совместимы с существованием разумной жизни.

Антропный принцип не есть новый фундаментальный физический закон. Принцип вообще не эквивалентен закону, а представляет собой один из уровней философского основания науки.

Происхождение галактик и звезд (космогония) связано с возникновением неоднородностей в однородной среде. Крупномасштабные неоднородности с массой в солнечных образовали протоскопления галактик, и они представляли собой массивные облака газа. Такие облака приобретали не сферическую форму, а становились похожими на гигантские “блины”.

В разных частях расширяющейся Метагалактики могли возникать разные “блины” по массе, плотности и температуре. Результатом их эволюции было возникновение или скоплений галактик, или одиночных галактик. Специалисты надеются обнаружить “блины”, еще не успевшие превратиться в галактики. Взаимодействуя между собой, “блины” могут образовывать границы наблюдаемых ячеек крупномасштабной структуры Вселенной.

Если нейтрино обладают ненулевой массой, то уже на начальных стадиях расширения Метагалактики решающее значение для последующей эволюции играло появление нейтринных неоднородностей, которые играли роль “теста” для образования “блинов”. Далее предполагается, что нейтринные “блины” образовали ячеистую структуру, которая была невидимой, поскольку невидимы сами нейтринные облака. Когда обычное вещество начало собираться в центральных областях нейтринных облаков, стала проявляться невидимая ячеистая структура Вселенной.

Каждая галактика, возникшая из распавшихся “блинов”, имела свой жизненный путь - в ней возникали шаровые звездные скопления и звезды разных поколений. Например, в нашей спиральной Галактике массивные звезды первого поколения давно завершили свой жизненный путь и, взорвавшись, обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами. Часть из них вошла в состав звезд нового поколения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9