 |
Теория струн - направление математической физики.
|
|
|
|
Теория струн изучает динамику не точечных частиц, а однородных протяженных объектов, так называемых квантовых струн.
Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 
м.
В рамках теории струн предполагается, что все во Вселенной составлено из микроскопических петель вибрирующих струн. Струны представляются как бесконечно тонкие, а длина их настолько мала, что можно считать их точечными.
Вибрации этих струн рождают видимую материю и излучение. Элементарные частицы – колебания струн.
Струна – это первичное творение в видимой Вселенной.
Пространство–время в рамках данной теории считается одиннадцатимерным (10 пространственных измерений и одно временное). Считается, что струна может вибрировать различными способами, и каждый способ ее вибрации генерирует отдельную элементарную частицу.
Масса частицы и характеристики ее взаимодействия определяются способом вибрации струны, «нотой», которая извлекается из струны.
Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в колебании, и в соответствии с формулой
Е = mc²,
тем больше масса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире.
При построении теории струн различают подход первичного и вторичного квантования. Последний оперирует понятием струнного поля-функционала на пространстве петель, подобно квантовой теории поля. Подход первичного квантования связывает теорию струн с обычной теорией поля на мировой поверхности.
Уровни строения мира:
1. Макроскопический уровень – вещество.
|
|
|
2. Молекулярный уровень.
3. Атомный уровень – протоны, нейтроны и электроны.
4. Субатомный уровень – электрон.
5. Субатомный уровень – кварки.
6. Струнный уровень.
Среди многих свойств теории струн особенно важны три.
Во-пер вых, гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной. В теории струн это реализуется.
Во-вторых, признание существования и других ключевых идей для понимания Вселенной. В числе этих идей – спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочная симметрия, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрия. Все эти идеи вытекают из теории струн.
В-третьих, в отличие от более общепринятых теорий, таких как стандартная модель с ее 19 свободными параметрами, в теории струн свободных параметров нет.
Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не дает однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте.
Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла, ни теория Эйнштейна не дают такого предсказания.
На ее основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.
Разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном, алгебраической и дифференциальной геометрии, топологии. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда, что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.
Основные понятия и законы химии.
Химия – это наука о веществах и их превращениях.
Химия относится к категории точных естественных наук. Она занимается явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает составные части вещества. Химический процесс связан с изменением состава веществ и их структуры.
|
|
|
На молекулярном уровне химия изучает процессы воздействия на молекулы тепла, света, физических полей.
В историческом аспекте химия подразделяется на разделы: неорганическую и органическую. Неорганическая изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества. Органическая своим предметом берет органические вещества и их соединения с углеродом вплоть до сложнейших биополимерных композиций.
Современная химия весьма разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования. Многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки: биохимия, биоорганическая химия, геохимия, радиационная химия, фотохимия и др.
Химия, как и любая другая естественная наука, состоит из теорий, законов и закономерностей, которые проверены на практике.
Основные законы химии:
• закон сохранения массы вещества. Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. В результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают. Общая масса остается неизменной. Это классический вариант. Этот закон на основе количественного анализа дает возможность изучить состав вещества и определить характер протекания химических процессов.
• закон постоянства состава. Впервые сформулирован Ж. Прустом (1808 г.). Было установлено, что химические вещества имеют постоянный качественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон (1803 г.) в законе кратных отношений: «Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящихся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа».
Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантовомеханическую систему – молекулу.
Закон постоянства состава использовал Д. И. Менделеев при создании Периодической таблицы как наиболее выдающегося события в истории химии. Этот закон был установлен в 1869 году при сопоставлении свойств всех известных к тому времени элементов и величин атомных весов.
|
|
|
Химический элемент – это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра. Открытие закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений окончательно утвердили в химии атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон Д. И. Менделеева и теорию химического строения.
Основные положения атомно-молекулярного учения:
1) вещества состоят из молекул; молекулы различных веществ отличаются между собой химическим составом, размерами, физическими и химическими свойствами;
2) молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния вещества;
3) при физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических – они претерпевают качественные и количественные изменения и из одних молекул образуются другие;
4) молекулы состоят из атомов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов.
Типы химической связи.
В природе химические элементы встречаются главным образом не в виде отдельных атомов, а в виде сложных или простых веществ. Атомы в свободном состоянии находятся лишь у гелия, неона, аргона, криптона и ксенона (инертные газы).
Химические элементы объединяются в системы, называемые химическими соединениями.
Химическая связь – это взаимодействие атомов, в результате которого образуются молекулы простых и сложных веществ, а также кристаллов.
Существует несколько типов химической связи – ковалентная, ионная, металлическая и водородная.
Ковалентной химической связью называется связь, которая образуется за счет взаимодействия электронов с противоположной ориентацией спинов, занимающих одну молекулярную орбиту. Метод молекулярных орбит в квантовой механике – это метод рассмотрения электронного строения молекулы, в основе которого лежит представление об образовании химических связей в результате движения всех электронов в поле ядер и электронов молекулы.
|
|
|
Ковалентная связь может быть двух типов: обменной и донарно-акцепторной.
Ионная связь образуется за счет электростатического притяжения между разноименно заряженными ионами.
Химические соединения, в которых осуществляется ионная связь, называются ионными. Все ионные соединения в твердом состоянии являются кристаллическими веществами.
В зависимости от природы химической связи в кристалле различают несколько типов кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные, металлические.
Металлическая связь – химическая связь в твердых телах, обладающих ярко выраженными металлическими свойствами. Металл можно представить как структуру, состоящую из атомов, расположенных в узлах кристаллической решетки.
Большая подвижность связывающих электронов объясняет такие свойства металлов, как ковкость, теплопроводность, электропроводность.
Металлическая связь обусловлена образованием электронами всех атомов вещества единого подвижного электронного облака. В ней принимают участие все атомы кристалла атома.
Водородная связь осуществляется за счет взаимодействия ковалентно связанного атома водорода с каким-либо атомом, относящимся к той же или иной молекуле. Одним из веществ, легко образующих этот тип связи, является вода. Водородная связь играет существенную роль в процессах, происходящих при обычных температурах, в том числе в биохимических процессах.
Во всех химических связях происходят энергетические изменения. Химическая связь возникает в результате того, что электроны, принадлежащие двум разным атомам, становятся общими для обоих атомов. Атомы вступают в химическую связь, если при этом уменьшается полная энергия системы.
Силы, приводящие к химической связи, имеют электрическое кулоновское происхождение.
Описание химической связи в любой молекуле есть описание распределения в ней электронной плотности, которая может быть выражена посредством волновой функции, описывающей движение всех электронов молекулы и всех атомных ядер.
К 1860 году были определены фундаментальные понятия химии – атом, молекула, валентность.
Согласно закону Авогадро (1811 г.), при одинаковых давлениях и температурах (Р и Т) в одинаковых объемах идеальных газов содержится одинаковое число молекул.
А. М. Бутлеров показал, что атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном порядке химическими силами, что нашло подтверждение в квантовой механике.
Работы Кекуле и Бутлерова превратили химию из аналитической в синтетическую науку, способную создавать новые вещества и материалы.
|
|
|
