Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

    Неполяризованный  свет, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных во взаимно  перпендикулярном направлении луча. Это означает, что каждый фотон преобразуется в пару связанных фотонов, свойства которых находятся в определенных соотношениях друг с другом. Согласно законам квантовой механики фотон не имеет точного значения поляризации, пока она не измерена детектором. Таким образом, измерение преобразует набор всех возможных поляризаций фотона в случайное, но совершенно конкретное значение. Измерение поляризации одного фотона связанной пары приводит к тому, что у второго фотона, как бы далеко он ни находился, мгновенно появляется соответствующая - перпендикулярная ей -поляризация.

    Если  к одному из двух исходных фотонов "подмешать" посторонний фотон, образуется новая  пара, новая связанная квантовая  система. Измерив ее параметры, можно  мгновенно передать сколь угодно далеко - телепортировать - направление поляризации уже не исходного, а постороннего фотона. В принципе практически все, что происходит с одним фотоном пары, должно мгновенно влиять на другой, меняя его свойства вполне определенным образом. Однако на практике такая связь достаточно чувствительна ко внешним воздействиям, поэтому необходимо изолировать частицы от внешних влияний. 
 
 
 
 

3.Теории  элементарных частиц. Квантовая хромодинамика.  Великое объединение. 

    В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

      Открытие элементарных часиц  явилось закономерным результатом  общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

    Квантовая хромодинамика.Один из следующих шагов на пути познания фундаментальных взаимодействий — создание теории сильного взаимодействия. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Последнее можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны (см. 10.3.2). Обмен глюонами изменяет «цвет» кварков, но оставляет неизменными остальные характеристики, т.е. сохраняет их сорт («аромат»).

    Теория  сильного взаимодействия создавалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений «цвета» в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны. Таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов.

    Как и фотоны, глюоны имеют нулевую  массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные; глюоны состоят из «цвета» и «антицвета» (например, сине-антизеленый). Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»). Например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк.

    С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное  взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей — кварков [1]. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «красный + зеленый + синий». Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна («белая»), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный («белый») мезон.

1 Лептоны, фотоны и промежуточные бозоны (W- и Z-частицы) не несут цвета, а поэтому не участвуют в сильном взаимодействии).

    Квантовая хромодинамика великолепно объясняет  правила, которым подчиняются все  комбинации кварков, взаимодействие глюонов  между собой (глюон может распадаться  на два глюона или два глюона слиться в один — поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов по типу КЭД (кварки покрыты облаками виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар), сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварков, и др. Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но экспериментальный статус ее достаточно прочен и достижения многообещающи.

      С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие три (сильное, слабое, электромагнитное) из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения.

    Опыт  успешного объединения слабого  и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей  подсказал возможные пути дальнейшего  развития принципа единства физики, объединения  фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электрослабого и сильного взаимодействий при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. Она равна примерно 10 14 —10 16 ГэВ; ей соответствует расстояние =10 -29 см.

    На основе теорий Великого объединения предсказаны две важные закономерности в низкоэнергетических областях, которые могут быть проверены экспериментально. Во-первых, кварк-лептонные переходы должны вызывать распады протона. Это означает его нестабильность: время жизни протона должно составлять примерно 10 31 лет. Во-вторых, неизбежным следствием этих теорий является существование магнитного монополя — стабильной и очень тяжелой (10 8 массы протона) частицы, несущей в себе один магнитный полюс. 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 будет самым великим физическим экспериментом XXI в.! 
 

4.Мировые  константы. Физический  смысл. 

    Фундамента́льные  физи́ческие постоя́нные (вар.: конста́нта) — постоянные, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях. Слово «постоянная» в физике употребляется в двояком смысле: а) численное значение некоторой величины вообще не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем, б) изменение численного значения некоторой величины несущественно для рассматриваемой задачи. Например, в небесной механике гелиоцентрическая постоянная считается постоянной, хотя она уменьшается с уменьшением массы Солнца, однако это изменение несущественно для космических полётов. Также в физике высоких энергий постоянная тонкой структуры растёт с ростом переданного импульса (на малых расстояниях), однако её изменение несущественно для широкого круга обычных явлений, например, для спектроскопии.

    Физические  постоянные делятся на две основные группы – размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных  постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории. Среди размерных физических постоянных следует выделять константы, которые не образуют между собой безразмерных комбинаций, их максимальное число равно числу основных единиц измерения – это и есть собственно фундаментальные физические постоянные (скорость света, постоянная Планка и др.). Все остальные размерные физические постоянные сводятся к комбинациям безразмерных постоянных и фундаментальных размерных постоянных. С точки зрения фундаментальных констант эволюция физической картины мира это переход от физики без фундаментальных констант (классическая физика) к физике с фундаментальными константами (современная физика). Классическая физика при этом сохраняет своё значение как предельный случай современной физики, когда характерные параметры исследуемых явлений далеки от фундаментальных постоянных.

Фундаментальные физические постоянные

    Статус "мировых постоянных" - физических констант получили несколько десятков чисел, обычно систематически уточняемых экспериментально. Из-за частоты использования этих величин в формулах физических закономерностей, им были присвоены  собственные буквенные символы, например, α, γ, ε, μ, k, h, C и др. Возник ореол особенной важности этих физико-математических образов. 
     Константы впервые, по-видимому, появились при математической записи известных физических законов. 
    А. В законе Ньютона F = γ m₁ m₂/r² , γ = 6,67259 10^-11 [м³ кг^-1 с^-2 ] - гравитационная постоянная, являющаяся коэффициентом пропорциональности, приводящим к соответствию единицы измерения масс m_1, m₂, расстояний r и возникающей в Природе силы притяжения F. Кроме того, этому числу приписывается свойство физической величины - размерность. 
    Б. В законе Кулона для зарядов F = ε ^-1g₁g₂ /r², ε - электрическая постоянная ваккума. 
    В. В законе Кулона для магнитных потоков F = μ f₁f₂ /r² , μ - магнитная постоянная вакуума. 
    Г. Из термодинамики известна связь энергии тела E с температурой E = kT,где k-постоянная Больцмана. 
    Д. Квантовая физика подарила соотношения: E = m C² - связь массы m и энергии. А так же E = hν - связь энергии фотона и его частоты ν. Константы C = 2,99792458 10⁸ [м/с] - скорость света в вакууме (то есть в пространстве свободном от наблюдаемого вещества) и h = 6,626068764465 10^-34 [Дж с] - постоянная Планка, представляют собой коэффициенты с помощью которых возможен пересчет энергии в массу вещества или в частоту представляющего её фотона. 
     Е. Постоянная тонкой структуры α впервые возникла при анализе оптических спектров и, будучи безразмерной, представляет собой соотношение нескольких размерных констант: α = 2h/μCe², где e - заряд электрона.  
     Физический смысл этой константы до сих пор окончательно не прояснен, и она сопровождается ореолом некоторой загадочности. 
     Таким образом, арсенал теоретической физики содержит определенный набор чисел - мировых констант, пробредших смысл супербукв физического алфавита. Они со временем начали жить самостоятельной жизнью, и стали представлять особую ценность для теоретиков, будучи в основном, лишь знаками для "уравнивания" субъективно принятых мер физических величин. Мировые константы - это случайные числа, обусловленные случайным выбором эталонов физических величин. Можно найти такой набор эталонов, при котором большинство мировых постоянных станут тождественны единице и "исчезнут" из уравнений.  
     Если физик в результате своих изысканий получит выражения, содержащие наборы фундаментальных констант, то это для его самого, а, иногда, и для научного сообщества в целом, служит подтверждением верности принятого подхода и полученного результата. В конкретных случаях это может быть оправдано при тщательном физическом обосновании, но приписывать различным комбинациям мировых констант (обычно используемых в сочетании с другими константами и произвольными математическими операциями над всеми составляющими выражений) физический смысл - это то же самое, что приписывать смысл произвольным комбинациям букв алфавита. Случайно могут появляться грамматически верные слова. Совсем редко - осмысленные фразы, но получить интересный сюжет - ничтожная вероятность. Но именно красивым и содержательным сюжетом только и можно выразить смысл физического явления. 
    Можно удивиться и порадоваться прозорливости исследователя, который угадал формулу или уравнение, верно описывающее природные процессы. Но за таким "угадыванием", несомненно, стоит глубочайшая интуиция специалиста-ученого. 
    Образец "жонглирования" мировыми константами дан, например, в [2]: