 |
Принципы современной физики
|
|
|
|
Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и все формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действует закон сохранения физических величин.
Симметрия широко распространена в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы обладают симметрией. На симметрии во многом основывается такое явление, как красота.
Симметрия в физике - это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметриилогически следуют законы сохранения.
Принципы симметрии делятся на 1) внешние или пространственно-временные и 2) внутренние симметрии.
К внешним симметриям относятся:
Объективная равноправность всех моментов времени. Это означает, что время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета. Из этого вытекает закон сохранения энергии.
Однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек. Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.
Изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям. Из этого следует закон сохранения момента импульса.
Принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета. Из него вытекает сохранение скорости движения центра масс.
Обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.
|
|
|
Зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.
Зарядовое сопряжение - замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.
Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.
К внутренним симметриям относятся:
1. 1. Неизменность суммы электрических зарядов элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.
2. 2. Постоянство числа тяжелых частиц и античастиц ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.
3. 3. Неизменность числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях элементарных частиц.
4. 4. Изотопическая инвариантность - связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы - нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.
На основе теорий Большого и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.
Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.
Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости.
|
|
|
По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями.
Каждая физическая теория является относительной истиной. Смена теорий - это процесс приближения к абсолютной истине. Этот процесс никогда не будет полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего бытия.
Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантово-волнового дуализма. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий - частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.
Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.
Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.
В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц - фотонов.
|
|
|
Физическое взаимодействие
Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Оно обусловливает соединение элементов в системы. Все свойства тел являются производными от взаимодействий.
Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. Не существует движения, в котором не было бы взаимодействия, так и не существует взаимодействия без движения. Взаимодействие и движение являются формой существования материи. По современным представлениям взаимодействие любого типа должно иметь своего физического агента-переносчика.
Любые формы движения материи, изучаемые физикой, являются фундаментальными взаимодействиями. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех физических взаимодействий. Оно описывается законом тяготения И. Ньютона. В макромире оно тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел. В микромире гравитационное взаимодействие теряется на фоне более мощных сил. Так, сила гравитационного притяжения электронов в 1040 раз меньше, чем их сила электростатического отталкивания. И только при сверхвысокой плотности вещества, порядка 1094 г/см3 гравитационные взаимодействия могут быть сравнимы с другими формами взаимодействия в микромире.
Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной материи звезд и галактик. Считается, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света в вакууме, но они еще достоверно не зарегистрированы приборами. Чувствительность современных измерительных устройств недостаточна для их регистрации из-за ничтожно малой амплитуды. Тем не менее американским физикам Р. Хясли и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они были удостоены Нобелевской премии.
|
|
|
Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания- антигравитации. Все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.
С точки зрения квантовой механики предполагается, что поле тяготения создается частицей гравитоном, хотя экспериментально она еще не найдена. Считается, что силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами, которые переносят энергию и обладают всеми характеристиками, присущими материальным объектам.
В общей теории относительности существует понимание гравитации как проявление кривизны пространства. Чем больше масса тела, тем большее искривление пространства создает поле тяготения.
Пока не ясно, какая их данных теорий ближе к истине.
Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Проявляется в притяжении разноименных зарядов или отталкиванием одноименных.
Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции - это проявление электромагнитных взаимодействий, которые приводят к перераспределению химических связей между атомами и молекулами.
Электричество и магнетизм - это силы одного и того же феномена. Электродинамика Д. Максвелла является законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.
В современной физике создана более совершенная и точная квантовая электродинамика, которая утверждает, что заряд создает поле, квантом которого является безмассовая частица фотон.
Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд электрона назван отрицательным, а заряд, которым обладают протон и позитрон - положительным. Взаимодействие положительных и отрицательных зарядов обеспечивается обменом фотонов. Во всех электромагнитных процессах выполняется закон сохранения заряда, импульса и энергии.
Слабое взаимодействие - это фундаментальное физическое взаимодействие, существующее только в микромире. Оно способствует превращению одних частиц (фермионов) в другие. Примером такого взаимодействия является b-распад. В ходе этого процесса свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино.
n0 ® p+ + e- + n-
Распад вызван превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Слабым зарядом обладают некоторые элементарные частицы из класса лептонов и кварков. Он образует три разновидности поля с обменными частицами (бозонами), имеющими значительную массу. Радиус его действия очень мал - 10-15 см.
|
|
|
В настоящее время предполагается, что существует единый фундаментальный заряд, определяющий одновременно слабое и электромагнитное взаимодействие.
Сильное взаимодействие соединяет элементарные частицы - кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в стадии становления. Исходным положением этой теории является существование трех условных типов цветовых зарядов кварков: красного, синего и зеленого, которые и определяют сильное взаимодействие.
Цветовые заряды кварков и антикварков создают 8 типов полей, переносчиками (квантами) которых являются 8 типов цветовых бозонов, названных глюонами. Глюоны, как фотоны и гравитоны, не имеют массы, но имеют цветовые заряды и обладают ограниченным радиусом действия, равным 10-13 см. На очень близких расстояниях кварки перестают влиять друг на друга, но с увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия.
До открытия кварков и их цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны (барионы) в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками. Таким образом, ядерные силы - это отголоски цветовых сил.
В настоящее время физики пытаются вывить универсальные механизмы всех фундаментальных физических взаимодействий. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое элетрослабое взаимодействие стало первым успехом на этом пути. Существуют попытки создания теории Большого объединения на основе объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Еще более грандиозна идея объединения всех типов фундаментального взаимодействия (гравитационного, электромагнитного, слабого, сильного) в теорию Суперобъединения.
Физики считают, что могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Теория суперструн основана на предположении, что существуют некие протяженные объекты - струны. Это пространственно одномерные отрезки, размером 10-33 см, имеющие 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных 4-х измерений, замкнуты и свернуты в точки, не распространяясь на область макромира.
Понятие струны становится синонимом понятия частицы. Все частицы являются возбужденным состоянием струн. Различная степень возбуждения («звучания») струн определяет различные свойства элементарных частиц.
Теория суперструн предполагает некоторые интересные следствия:
· · струны могут порождать гипотетические элементарные частицы тахионы, движущиеся со скоростью, большей скорости света.
· · возможность существования теневого мира, как объяснение факта, открытого астрономами, что галактики содержат массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.
|
|
|
