Физическая картина мира

Сила  тяготения также передается посредством  поля — гравитационного, существующего вокруг любых материальных частиц и тел (вне зависимости от их электрического заряда). Предполагается существование элементарных частиц гравитационного поля — гравитонов, которые экспериментально пока не обнаружены.

6 Статистические представления. 

      В механике и электродинамике рассматриваются  макроскопические тела на макроскопических расстояниях друг от друга. Перейдем теперь к рассмотрению строения тел из микроскопических частиц (т. е. «заглянем внутрь» тела). Твердые, жидкие, газообразные тела состоят из огромного количества атомов и молекул. Расположение и движение микрочастиц обусловлено здесь электромагнитным взаимодействием, так как на этих расстояниях при малых массах и больших зарядах гравитационное взаимодействие мало по сравнению с электромагнитным, а сильное еще не проявляется (для него расстояния велики).

      В свое время огромным достижением  физической науки было объяснение тепловых явлений и теплоты механическим движением микрочастиц в теле. Однако очень важно учитывать, что  к одной механике теплота не сводится. Механическую картину оказалось необходимым также дополнить, теперь представлениями о хаотичности теплового движения микрочастиц. Координаты и скорости отдельных частиц оказываются случайными величинами, они изменяются случайным образом по вероятностным законам. Для макроскопического тела в целом законы термодинамики имеют статистический смысл, они связывают средние значения физических величин для огромного множества микрочастиц. Так, в молекулярно-кинетической теории давление определяется суммой средних импульсов, передаваемых молекулами газа стенке при соударении, внутренняя энергия — суммой средних энергий микрочастиц, температура — средней кинетической энергией движения микрочастиц и т. д.[1] 

7 Квантовые представления. 

      Далее, при уменьшении размеров пространственной области, следуют внутренние области  молекул и атомов. В микромире, в диапазоне расстояний от 10^-10 до 10^-15 м, основную роль играет электромагнитное взаимодействие, объединяющее ядро и электроны в устойчивые системы — атомы и молекулы. Типичные физические явления состоят в переходе атома из одного стационарного состояния в другое с излучением или поглощением кванта энергии.

      Переход в эту область микромира заставляет существенно пересмотреть механическую картину движения. Микрочастицы не движутся здесь по определенным траекториям, а проявляют двойственные корпускулярно-волновые свойства. По-новому решается вопрос и об изменении состояния систем: появляются квантовые скачки, сразу переводящие систему из одного дискретного состояний в другое, минуя все промежуточные. Эту область микромира изучает квантовая механика, элементы которой мы изучили в физике атома, в квантовой природе света.

Перешагнем  последний достаточно изученный  в физике рубеж — 10^-16 м — и обратимся к системе, состоящей из протонов и нейтронов, т. е. к ядру. Нуклоны связаны самым интенсивным взаимодействием — сильным, которое осуществляется путем обмена p-мезонами между парой нуклонов на расстояниях, не превышающих 10-¹⁶ м и обеспечивающих притяжение. Электромагнитное взаимодействие в этой области тоже имеет место и играет важную роль, хотя и уступает сильному. Так, пока ядра состоят из немногих нуклонов, сильное взаимодействие — притяжение — превышает электромагнитное отталкивание положительных протонов и ядро прочно. Но для тяжелых ядер, состоящих из сотен нуклонов, притяжение и отталкивание выравниваются, так как отталкивание осуществляется между каждым и всеми остальными протонами, а притяжение — только между соседними. После известного предела (уран, трансурановые элементы) ядра неустойчивы.

      Далее, вплоть до достигнутого в настоящее  время предела на шкале расстояний порядка 10^-17 — 10^-18 м материя представлена только элементарными частицами, причем, кроме названных выше частиц, имеется много неустойчивых, возникающих и исчезающих в реакциях, взаимных превращениях элементарных частиц. Эти процессы обусловлены как сильными, так и электрослабыми взаимодействиями. 

8 Теория единого обединения. 

      Физики  всегда стремились объединить знания различных явлений и свести все явления, взаимодействия природы к одному. В  70—90-е  гг.  было  разработано несколько конкурирующих между собой теорий  Великого  объединения.  Все  они основаны  на  одной  и  той  же   идее.   Если   электрослабое   и   сильное взаимодействия  в  действительности  представляют  собой  лишь  две  стороны  Великого единого взаимодействия, то последнему также должно  соответствовать калибровочное  поле  с  некоторой  сложной  симметрией.  Она   должна   быть достаточно  общей,   способной   охватить   все   калибровочные   симметрии, содержащиеся  и  в  квантовой  хромодинамике,  и в теории   электрослабого взаимодействия.    

      Отыскание  такой  симметрии  —  _главная  задача  на  пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия.  Существуют разные  подходы,  порождающие   конкурирующие   варианты   теорий   Великого объединения. Тем не менее, все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей. Во-первых, во всех  гипотезах  кварки  и  лептоны  — носители сильного и электрослабого  взаимодействий  — включаются  в единую теоретическую  схему.  До  сих  пор  они   рассматривались  как   совершенно различные  объекты.   Во-вторых,   привлечение   абстрактных   калибровочных симметрии  приводит  к  открытию  новых  типов  полей,   обладающих   новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны.

          В простейшем  варианте  теории  Великого  объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать  четыре  поля.  Двенадцать  из  квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и  восемь  глюонов. Остальные двенадцать  квантов  —  новы  сверхтяжелые  промежуточные  бозоны, объединенные  общим  названием  Х   и   У-частицы   (обладающие   цветом   и электрическим  зарядом).  Эти  кванты  соответствуют  полям,  поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки  с  лептонами. Следовательно,  Х-  и У-частицы  могут превращать  кварки  в лептоны   (и

наоборот).

   На основе теорий Великого объединения предсказаны, по крайней  мере,  две важные  закономерности,  которые  могут  быть  проверены   экспериментально: нестабильность    протона    и    существования     магнитных     монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и  магнитных  монополей  могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого  объединения.  На  проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов.  Обнаружение  распада протона было бы самым великим экспериментом  XX  в.!  Но  пока  еще   твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. А о прямом экспериментальном обнаружении Х- и У-бозонов пока и вовсе речь  не идет. Дело в том, что теории Великого  объединения  имеют  дело  с  энергией частиц выше 1014 ГэВ. Это  очень  высокая  энергия.  Трудно  сказать,  когда удастся получить частицы столь высоких энергий  в  ускорителях.  Современные ускорители с трудом достигают энергии 100 ГэВ. И  потому  основной  областью применения проверки теорий Великого объединения  является  космология,  этих теорий  невозможно  описать  раннюю  стадию   эволюции    Вселенной,   когда температура  первичной  плазмы  достигала  1027К.  в  таких  условиях  могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые  бозоны Х и У.

   Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий — это еще не  единая  теория  в  подлинном  смысле  слова,  остается  еще  гравитация.

      Теоретические модели, в  которых  объединяются  все  четыре  взаимодействия, называются супергравитацией. 

Заключение. 

      Хотя  физическая наука охватывает огромную область различных физических явлений, содержит множество законов и выводов, она не является полностью завершенной. Последняя точка в ней никогда не будет поставлена, так как материальный мир многообразен, а знания о нем неисчерпаемы.

      Современная физическая картина мира ограничена «снизу», со стороны малых расстояний, но даже в этой области наши знания о природе и строении элементарных частиц пока что далеко не полны. Сейчас с помощью самых мощных ускорителей доступны изучению структурные элементы и их взаимодействия внутри элементарных частиц на расстояниях порядка 10^-17 — 10^-18 м. В последнее время здесь достигнуты замечательные успехи: открыто сложное строение мезонов и барионов. Оказалось, что они состоят из более «простых» частиц—кварков. Кварки и лептоны сейчас следует рассматривать как элементарные.

      Ограничена  современная физическая картина мира и «сверху», со стороны больших расстояний, пределами «видимости» в оптические и радиотелескопы. С их помощью получают сведения о строении и движении материи в мегамире до расстояний порядка 10²⁵ — 10²⁶ м. В последнее время, несмотря на скудность информации о таких отдаленных областях Вселенной, и здесь сделаны удивительные открытия. Открыты новые, ранее неведомые человеку объекты: пульсары — нейтронные звезды чрезвычайно высокой плотности, квазары и ядра галактик — объекты с непостижимо большим излучением энергии, природа которых не ясна, и другие.

      Наконец, Вселенная развивается. Наши знания об эволюции Вселенной, об ее образовании  и дальнейшей судьбе, об изменении  важнейших физических законов и  констант с течением времени также  нельзя назвать сейчас окончательными. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература:                      

1 Кресин Д.В. Физика сложных систем. М.: Просвещение, 1992 г.

2 Кузнецов  Б.Г. Ньютон.-М.: Мысль, 1982.

3 Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. 2000г.

 4 Рузалин Г.И. Концепция современного естествознания 1997г.

5 Тарасов Л.В. Физика в природе. М.:  Просвещение, 1990 г.

6 Философия:  Учебник /под ред. Проф. В.Н Лавриненко.-2-е  изд.,испр. И доп.-М.: Юристъ, 1998.

7 Эрнст  Кассисер. Жизнь и учение Канта. Санкт-Петербург, 1997