Методическая разработка по теме «Корпускулярная и континуальная концепции описания природы» дисциплины «Концепции современного естествознания»

Кислинский В.Б.
Сызранский филиал
ФГБОУ ВПО
«Самарский государственный экономический университет»
2015 год
Методическая разработка для проведения лекционных занятий по дисциплине «Концепции современного естествознания».

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

Одним из наиболее важных и существенных вопросов как философии, так и естествознания является проблема материи. Представления о строении материи находят своё выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) – корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) – континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия материальных объектов, которые проявлялись как концепция дальнодействия (передача действия без физической среды) и концепция близкодействия (передача действия от точки к точке).
Концепция прерывности была создана И. Ньютоном. Подход Ньютона определил исходное положение атомизма, который основывался на признании дальнодействующих сил и лёг в основу механической картины мира.
1. Атомизм и механическая картина мира.
Механическая картина мира сложилась как результат второй научной революции XVI – XVII вв. (см. & 1.3). В основу новых представлений науки о мире легли идеи и законы механики, которая стала самым разработанным разделом физики. По сути дела, именно механика является первой фундаментальной физической теорией. Эти теории представляют собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражают физические процессы в природе. Важнейшими понятиями механики как фундаментальной физической теории являются:
- материальная точка – тело, формы и размеры которого не существенны в данной задаче;
- абсолютно твёрдое тело – тело, расстояние между любыми точками которого остаётся неизменным, т.е. его деформацией можно пренебречь.
Их характеризуют с помощью следующих понятий:
масса – мера количества вещества;
вес – сила, с которой тело действует на опору или подвес.
Масса всегда остаётся постоянной, вес же может меняться. Эти понятия выражаются через следующие физические величины: координаты, импульс, энергию, силы.
Эволюция состояния механических систем описывается с помощью законов Ньютона (см. & 1.3).
Атомизм составляет основу механической картины мира. Весь мир, включая человека, в рамках этой концепции понимается как совокупность огромного числа неделимых частиц – атомов, перемещающихся в пространстве и времени в соответствии с законами механики. Это составляет суть корпускулярного представления о материи.
Законы механики Ньютона, которые регулируют как движение атомов, так и движение любых материальных систем, считаются фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения. Тела обладают внутренним врождённым свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (принцип инерции). Мерой способности тела сопротивляться этому внешнему воздействию (инертности) является масса. Универсальным свойством материальных тел является тяготение.
Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия (см. & 1.3). Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно, на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.
Концепция дальнодействия основана на понимании пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представлялось большим «чёрным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Даже если все тела разом вдруг исчезнут, абсолютное пространство всё равно останется. Аналогично, в образе бегущей реки, представлялось и абсолютное время. Оно являлось универсальной мерой длительности всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи.
Любые события в рамках механической картины мира жёстко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась из картины мира. Как говорил Лаплас, если бы нашёлся гигантский ум, способный объять мир, то есть собрать знания о координатах всех тел в мире, а также о силах, действующих на них, то этот ум мог бы однозначно предсказать будущее этого мира. Такой жёсткий детерминизм являлся следствием динамических законов Ньютона.
Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой спецификой. Присутствие или отсутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица Земли, мир продолжал бы существовать, как ни в чём не бывало.
На основе механической картины мира в XVIII – начале XIX в. были разработаны земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Несомненные успехи и достижения привели к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.
Механический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла и др. Однако обозначились две области – оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механической картины мира.
Исследуя оптические явления, И. Ньютон считал свет потоком частиц – корпускул. В корпускулярной теории света утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в соответствии с законами механики и вызывают привычные нам ощущения света, попадая в глаз. На базе этой теории было дано объяснение законам отражения и преломления света.
Помимо механической корпускулярной теории света существовала также волновая теория света Х. Гюйгенса, которая устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В этой теории предполагалось наличие упругой среды – светоносного эфира, заполняющего всё пространство. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве.
Однако против теории Гюйгенса существовало важное возражение. Волны обтекают препятствие, а луч света, распространяясь по прямой, обтекать препятствие не может. Однако это возражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. При наблюдении с помощью сильных увеличительных линз обнаружилось, что на границах резких теней имеются слабые участки освещённости в форме перемещающихся светлых и тёмных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света.
В начале XIX века английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю удалось независимо друг от друга объяснить явление интерференции света: появление тёмных полосок при наложении света на свет. Причина такого явления заключалась в том, что согласно волновой теории свет представляет собой не поток корпускул, а колебания упругой среды, т.е. волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются тёмные полосы.
Явления интерференции и дифракции являются сугубо волновыми, не могут быть объяснены на основе корпускулярных представлений.
Другой областью физики, где механические корпускулярные модели оказались недостаточными, был электромагнетизм. Более того, оказалось, что электрические и оптические явления взаимосвязаны и образуют единую область.
2. Электромагнитная картина мира.
Первым открыл магнитное действие электрических токов датский физик Х. Эрстед. Вслед за ним М. Фарадей обнаружил, что при изменении магнитных полей возникает электрический ток, т.е. открыл явление электромагнитной индукции. Именно Фарадей первым пришёл к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, т.е. непрерывными. Изучая электромагнитную индукцию он сделал вывод, что огромную роль в передаче электрических и магнитных сил играет среда. Он ввёл понятие «силовые линии». В их основе лежит представление о передаче действия сил от точки к точке в некоем силовом поле. Исходя из этого, Фарадей предположил, что существует глубокое родство электричества и света, и свет можно рассматривать как колебания силового поля.
Используя математические методы, Дж. Максвелл придал понятию «силовое поле» физический смысл и стал рассматривать его как отдельную физическую реальность, т.е. представил электромагнитное поле как часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии. К середине XIX века было завершено создание электродинамики, ещё одной фундаментальной физической теории.
Важнейшими понятиями новой теории являются:
заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным;
напряжённость поля – сила, которая действовала бы на тело с единичным зарядом, если бы оно находилось в данной точке.
Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, возникает дополнительная магнитная сила. Поэтому общую силу, объединяющую электрическую и магнитную силы, называют электромагнитной. Считается, что электрические силы соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы – движущимся зарядам. Всё многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. К ним относятся:
закон Кулона
13 EMBED Equation.3 1415,
описывающий взаимодействие неподвижных точечных зарядов;
магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует;
электрическое поле создаётся переменным магнитным полем;
магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.
Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля. Этот математический аппарат позволил единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Исходя из этого, Максвелл заключил, что световые волны представляют собой электромагнитные волны.
Эксперименты Фарадея и теоретические работы Максвелла разрушили представления ньютоновской механики о дискретном веществе как единственном виде материи.
Единая сущность света и электричества была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем. В своих экспериментах он показал, что в результате искровых зарядов между двумя заряженными шарами появляются электромагнитные волны. Когда они падали на крутой проволочный виток, то создавали в нём токи, о чём свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Герц успешно осуществил отражение этих волн и их интерференцию, т.е. явления, которые характерны для световых волн, а затем изменил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он подсчитал скорость их распространения, которая оказалась равна скорости света, что подтвердило теорию Максвелла.
После экспериментов Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля как объективно существующей физической реальности, как качественно нового вида материи.
Таким образом, новые физические воззрения во многом изменили и дополнили прежнюю механическую картину мира.
Изменились кардинально представления о материи:
корпускулярные идеи уступили место полевым (континуальным) установкам. Отныне совокупность неделимых атомов перестала быть конечным пределом материи. В качестве такового было принято единое, абсолютно непрерывное, бесконечное поле с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нём;
движение стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили своё господствующее положение законам электродинамики Максвелла;
ньютоновская концепция дальнодействия заменилась фарадеевским принципом близкодействия: любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно с конечной скоростью;
ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям о материи, так как поля не имеют чётко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля – это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Однако потребовалось ещё какое-то время, чтобы полностью осознать и принять новую, относительную, роль пространства и времени.
Законы электродинамики, как и законы классической механики, всё ещё однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайности не было места в физической картине мира. Однако в середине XIX века впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая опиралась на аппарат теории вероятностей. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли своё место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов (см. более подробно гл. 7). Правда, на том этапе такую теорию считали промежуточной, временным вариантом, и предпринимались попытки найти за вероятностными характеристиками чёткие однозначные детерминированные законы.
Не изменилось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление по-прежнему считалось лишь капризом природы. Эти взгляды лишь упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественно иной специфике жизни и разума с большим трудом пробивали себе дорогу в научном мировоззрении.
Электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электрические, магнитные и световые явления удалось объяснить на основе одних и тех же законов.
Следует отметить, что для описания механических явлений и процессов значение ньютоновской механики сохранилось. Поэтому можно считать, что электромагнитная картина мира дополнила механическую, и вместе они образовали единую, классическую, картину мира.
Однако к концу XIX века стало накапливаться всё больше несоответствий между опытными данными и общепринятыми теориями. Так, согласно электромагнитной картине мира заряд является точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяжённости частицы – заряда. Поэтому уже в электронной теории металлов Х. Лоренца частица – заряд стала рассматриваться в виде твёрдого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона – Морли, в которых пытались обнаружить «эфирный ветер». Ведь свет – электромагнитная волна, распространяющаясь в особой среде – эфире. Наблюдатель на Земле перемещается относительно эфира вследствие движения Земли, а потому фиксируемая скорость света должна зависеть от скорости движения планеты. Однако это явление, названное «эфирным ветром», несмотря на всё повышавшуюся точность измерений, обнаружить не удалось. Кстати, последний эксперимент в этой серии датирован 1963 г.! Это заставило усомниться в существовании эфира.
Большие проблемы неожиданно возникли при анализе закономерностей теплового излучения – наиболее распространённого в природе вида электромагнитного излучения. В конце XIX века в Германии в связи с развитием ламповой промышленности начались измерения теплового излучения нагретых тел. Экспериментальные данные свидетельствовали о том, что распределение излучаемой энергии по длинам волн имеет максимум на некоторой длине волны, и с увеличением температуры этот максимум сдвигается в видимую область к синему концу спектра. В 1896 году Вин из классических представлений получил закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела, однако его формула оказалась применимой только для коротких длин волн. Тем не менее, в 1911 г. Вин стал лауреатом Нобелевской премии. Как писал известный физик Лауэ, «бессмертной заслугой Вилли Вина остается то, что он довёл физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провёл её через эти ворота».
Что касается полной энергии, излучаемой чёрным телом, то для неё классическая электромагнитная теория давала бесконечный результат. Эта ситуация в физике получила название «ультрафиолетовой катастрофы».
Накопленные противоречия привели в итоге к пересмотру представлений о материи, пространстве, времени и формированию современной квантово-релятивистской картины мира.

3. Современная физическая картина мира.
В конце XIX века произошло множество открытий в различных областях физики, имевших революционное значение (см. & 1.5). Среди них – открытие Беккерелем в 1897 г. явления радиоактивности, когда было установлено, что радиоактивность вызвана превращением одних химических элементов в другие и сопровождается при этом испусканием альфа- и бета- лучей. Тогда же выяснилось, что атом имеет сложную внутреннюю структуру, и стали появляться теоретические модели атома. Важнейшим шагом стала идея кванта света, предположение о прерывности процессов излучения, выдвинутые в 1900 году М. Планков, с помощью которых ему удалось установить адекватный эксперименту закон теплового излучения.
Острый кризис в физике пошёл на спад лишь в 1913 году, когда Н. Бор предложил свою модель атома водорода, в которой электрон, вращавшийся вокруг ядра, излучал энергию только порциями (квантами) при переходе с одной стационарной орбиты на другую. Это противоречило известным законам электродинамики, но позволило сделать решающий прорыв в физике микромира. Началось активное формирование новых физических представлений о материи и движении, которые были в основном завершены в 20-е годы XX века созданием новых фундаментальных физических теорий – квантовой механики и квантовой электродинамики.
Важнейшими понятиями этих новых теорий стали:
корпускулярно-волновой дуализм (наличие у каждой частицы материи свойств волны и частицы одновременно);
соотношение неопределённостей Гейзенберга (невозможность одновременного измерения координаты и импульса частицы).
Для характеристики состояния частицы материи было предложено использовать комплексную волновую функцию. Зная её, можно вычислить вероятность обнаружения определённого значения не только координаты, но и любой другой физической величины. Эволюция состояния описывалась с помощью уравнения Шредингера. Математическая интерпретация квантовой механики, её формулировка в виде уравнений движения была сделана П. Дираком и Д. фон Нейманом. В рамках новой физики впервые было установлено наличие так называемых фундаментальных констант нашего мира (мировых универсальных констант). Их четыре:
скорость света в вакууме с=300 000 км/сек; это максимальная скорость для всех возможных взаимодействий в природе;
гравитационная постоянная; она используется как коэффициент пропорциональности в законе всемирного тяготения;
постоянная Планка; входит во все уравнения, описывающие процессы в микромире;
постоянная Больцмана; она устанавливает связь между микроскопическими динамическими явлениями и макроскопическими характеристиками системы частиц.
Впоследствии в этот перечень были включены ещё две:
заряд электрона; минимально возможное значение электрического заряда в природе;
масса электрона.
Возможно, к этому списку добавятся ещё некоторые константы, например, фундаментальная длина. Однако, существует в настоящее время и точка зрения, что в принципе возможно сведение всех фундаментальных констант к одной суперконстанте. То, что это ещё не сделано, говорит лишь о недостатке наших знаний о мире.
С появлением квантово-релятивистской картины мира ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь предела её делимости. В настоящее время материя рассматривается с позиций корпускулярно-волнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое сопровождается изменением числа частиц.
Принципиально в современной картине мира меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передаётся соответствующим полем от точки к точке. Скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме.
В современной картине мира окончательно утвердилось представление об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Пространство и время, согласно теории относительности, образуют единый четырёхмерный объект, который не существует вне материальных тел.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. То есть, в основе нашего мира лежит случайность.
Наконец, новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависят получаемые результаты исследований. Был сформулирован так называемый антропный принцип:
мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека.
Другими словами, появление человека является закономерным результатом эволюции Вселенной.

4. Фундаментальные взаимодействия.
Огромное разнообразие природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т.е. их взаимным действием друг на друга.
Взаимодействие представляет собой развёртывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путём обмена материей и движением.
Именно взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому оно, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.
Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом – основными характеристиками их движения. В настоящее время экспериментально подтверждено, что этот обмен осуществляется на основе принципа близкодействия. Этот принцип в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами – квантами полей.
Модель физического взаимодействия.
Заряд (фермион) создаёт вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы (бозоны).
Частицы поля являются виртуальными – существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены.
Оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнёром по взаимодействию, и наоборот.
Обмен бозонами создаёт эффект притяжения или отталкивания частиц-фермионов.
Таким образом, каждой частице, участвующей в каком-либо фундаментальном взаимодействии, соответствует своя бозонная частица – переносчик взаимодействия. Радиус взаимодействия определяется массой частицы – переносчика: чем больше её масса, тем меньше радиус.
Для каждого взаимодействия можно определить сферу его действия, заряд – носитель взаимодействия и частицу – переносчик взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие
Гравитационное взаимодействие первым стало предметом исследования учёных. Ньютоновская теория тяготения была создана ещё в XVII веке.
Гравитационное взаимодействие обладает рядом специфических свойств. Это самое слабое взаимодействие, оно в 1037 слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение всей Вселенной, образование космических систем, существование планет, звёзд и галактик и т.п. Такая роль гравитационного взаимодействия определяется его второй особенностью – универсальностью. Любые материальные объекты участвуют в этом взаимодействии. Оно является определяющим в мегамире. Гравитация – дальнодействующая сила. Её интенсивность убывает с расстоянием, но продолжает оказываться и на очень больших расстояниях. Гравитационный заряд равен инертной массе объекта. Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой. Именно они являются квантами гравитационного поля, его бозонами.
Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации). Даже античастицы обладают положительными значениями массы и энергии, поэтому гравитация всегда проявляется только как притяжение.
Теория гравитационного взаимодействия находится на этапе формирования. Помимо полевых представлений о гравитации существует общая теория относительности, которая рассматривает её как искривление пространства – времени.
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие обусловливается электрическими зарядами и передаётся посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля.
Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение и упругость определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе.
По своей интенсивности электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие также является дальнодействующим, его интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
В соответствии с положениями современной квантовой электродинамики электрический заряд проявляется в двух разновидностях: 1) заряд, присущий электрону, назван отрицательным; 2) заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. В отличие от гравитационного взаимодействия, не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Существуют электрически нейтральные частицы, например, нейтрон.
Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальными фотонами. В случае разноимённых зарядов обмен создаёт эффект притяжения, а в случае одноимённых – отталкивания.
Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие действует только в микромире. В нём участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно отвечает за большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется в процессах бета-распада атомных ядер, свободных нейтронов и т.д. Переносчиками слабого взаимодействия являются три тяжёлых векторных бозона: Z+, Z-, W0 бозоны. Их иногда называют также вионами. Экспериментально эти бозоны были обнаружены в 1983 г. В результате исследований взаимодействий элементарных частиц было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов – около 100 ГЭВ (1 ГЭВ = 109 эВ) – слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются. Их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Такое объединение двух фундаментальных взаимодействий – электромагнитного и слабого – теоретически было предсказано в 60-х годах XX века физиками С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом, удостоенными за это в 1979 г. Нобелевской премии по физике.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Основная функция сильного взаимодействия – обеспечивать связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Теория сильного взаимодействия получила название квантовой хромодинамики. В основе этой теории лежит постулат о существовании трёх типов цветовых зарядов (красного, синего, жёлтого). Они присущи частицам, названными кварками, из которых состоят протоны, нейтроны и другие адроны. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноимённые цвета отталкиваются, разноимённые притягиваются. Когда три кварка объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нём такова, что эта частица будет обладать цветовой нейтральностью. Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами. Они названы глюонами и имеют нулевую массу покоя.
Сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия – до 10-13 см (порядка атомного ядра). Интенсивность сильного взаимодействия прямо пропорциональна расстоянию между цветовыми зарядами. На малых расстояниях кварки практически перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Такое свойство кварков получило название асимптотической свободы. Как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила цветного взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы колоссальная энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва существовавшие тогда огромные температуры позволяли свободное существование кварков. Сейчас попытка разорвать связи между кварками приведёт к тому, что глюонные струи между ними будут натягиваться всё сильнее, в результате чего возникнут новые кварки, которые соединятся с исходными частицами и образуют новые адроны. Это и наблюдается в ускорителях.
Ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в атомные ядра, является частным случаем сильного взаимодействия. При их сближении на расстояние меньшее, чем 10-13см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками принимает коллективный характер. В результате такого взаимодействия все кварки связываются в единую систему – атомное ядро. Чтобы расколоть атомное ядро нужна сравнительно небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон на кварки невозможно.
Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую интенсивность, и радиус действия (см. табл.).
Таблица.
Вид
взаимодействия
Константа взаимодействия
Радиус
действия

Гравитационное
10-39
13 EMBED Equation.3 1415

Электромагнитное
10-2
13 EMBED Equation.3 1415

Сильное
1
10-15м

Слабое
10-14
10-18м

Одна из важнейших задач современной физики – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей все четыре известных вида. Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц (до 1019 ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т.е. сливаются в одно взаимодействие, определяемое «суперсилой». Возможно, такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении Вселенной и охлаждении образовавшегося вещества единое взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия, определивших структурную организацию материи.
В последние годы стала активно обсуждаться возможность существования ещё одного взаимодействия – спинторсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля (поля кручения). Есть гипотеза, что эти поля обладают возможностью передавать информацию практически без затрат энергии. Также принято считать, что именно эти поля, возможно, обеспечивают все известные сегодня парапсихические явления и биоинформационное воздействие. Если существование торсионных полей подтвердится, это вновь перевернёт все наши представления о мире.

5. Элементарные частицы.
Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство занято полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объёма (примерно 10-36 – 10-40 объёма), т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной связи частиц и полей видно одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Можно вести речь о едином объекте – квантовом поле. При изучении его структуры определяющим является подход, связанный с выделением и отдельным рассмотрением небольшого числа первичных частиц, которые принято называть элементарными.
Элементарными частицами раньше именовались такие частицы, которые не должны иметь внутренней структуры, т.е. не должны содержать в себе каких-либо элементов. Однако сейчас под такими частицами понимаются те, которые не являются атомами или атомными ядрами.
Открытие элементарных частиц началось с конца XIX века, хотя до 20-х годов XX века были известны всего две частицы – электрон и фотон. Протон был открыт Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке атома альфа – частицами. В 1932 г. был открыт электрически нейтральный нейтрон, а в 1936 г. – позитрон, первая античастица, во всём подобная электрону, но обладающая положительным электрическим зарядом. В 1935 г. Х. Юкавой было предсказано существование мезонов, которые позже были обнаружены в космических лучах. Далее были открыты нейтрино. К концу 50-х годов XX века стало известно 32 элементарные частицы, причём каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений. Начиная с 60-х годов, основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью, например, удалось найти такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. Среди открываемых частиц появились странные, красивые, очарованные частицы, а также резонансы. Сегодня известно около 350 элементарных частиц.
У всех у них можно отметить несколько общих свойств.
Корпускулярно-волновой дуализм. Это свойство нами уже обсуждалось ранее.
Наличие соответствующих античастиц. Античастицы отсутствуют лишь у фотона и двух мезонов. Античастицы по своим свойствам аналогичны обычным частицам, отличаясь лишь противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. При соприкосновении частиц и античастиц происходит аннигиляция – их превращение в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).
Универсальная взаимопревращаемость. Это принципиально новое качество вещества на микроуровне. При распаде и различных взаимодействиях элементарные частицы превращаются в другие элементарные частицы, которые не являются более простыми, чем исходные. Почти каждая элементарная частица может быть составной частью другой элементарной частицы. Понятия «часть» и «целое», «сложное» и «простое» имеют на уровне микромира совсем другое, непривычное значение. Возможно, элементарные частицы всё – таки обладают какой-то внутренней структурой, но пока она неизвестна.
Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно составить классификацию элементарных частиц. Одной из важнейших характеристик является их масса покоя. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на:
частицы, не имеющие массы покоя и движущиеся со скоростью света (фотоны);
лептоны – лёгкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;
мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
барионы – тяжёлые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.
Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона. Заряд частицы может быть отрицательным, положительным или нулевым.
Ещё одна характеристика – время жизни. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в связанном состоянии, т.е. в ядре атома. Свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют 10-10 – 10-24 сек. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Их время жизни 10-25 – 10-26 сек. Существование резонансов доказано теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из них и состоят все макротела.
По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они подразделяются на:
лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;
адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;
частицы – переносчики взаимодействий.
Чрезвычайно важной характеристикой элементарных частиц является спин – собственный момент количества движения частицы. В классической механике такая величина характеризует собственное вращение тела, например, волчка. В микромире спин интерпретируется как внутренняя степень свободы, реализующая дополнительное физическое состояние. Спин может принимать только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целые значения (0,1,2), у других – полуцелые (1/2, 3/2). Частицы с полуцелым спином называют фермионами (в честь известного физика Э. Ферми). Это частицы вещества, к ним относятся, например, электроны, протоны, нейтроны. Для этих частиц выполняется принцип Паули:
частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. наборы характеристик, не одинаковы.
Если бы этого запрета не существовало, ещё в первые мгновения существования нашей Вселенной все частицы вещества слиплись бы в огромный ком, не позволив образоваться структурной Вселенной.
Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны – это кванты полей, на них запрет Паули не распространяется. К ним относятся фотоны, гравитоны, глюоны, векторные бозоны – W+, W-, Z0 – бозоны.
Фермионы и бозоны рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.
Все частицы вещества (фермионы), как представляется на современном этапе, состоят из кварков и лептонов. Кварковая теория была сформулирована в 1963 году. Её авторы – М. Гелл - Манн и Дж. Цвейг. Термин «кварк» был позаимствован авторами теории из романа Д. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» В переводе с немецкого это слово означает «чепуха». Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются на сегодняшний день бесструктурными. Кварки – это частицы с дробным электрическим зарядом и, кроме того, они обладают цветным зарядом. Наличие у кварков цветного заряда определяет их способность к сильному взаимодействию. Заряд сильного взаимодействия назвали «цветом» именно по аналогии с действительными цветами, чтобы подчеркнуть, что соединение трёх цветов кварков делает результат (например, протон) бесцветным. Действительно, смесь красного, жёлтого и зелёного цветов даёт белый цвет. Соответственно, различают три заряда сильных взаимодействий: красный (R), жёлтый (Y) и зелёный (G). Лептоны бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях. Предполагается существование шести кварков и шести лептонов. При этом они подразделяются на семейства трёх поколений.
Поколение
Кварки
Лептоны

Поколение I
UR, UY, UG (U – кварк)
электронное нейтрино


dR, dY, dG (d – кварк)
электрон

Поколение II
CR, CY, CG (C – кварк)
мюонное нейтрино


SR, SY, SG (S – кварк)
мюон

Поколение III
tR, tY, tG (t – кварк)
13 EMBED Equation.3 1415 - нейтрино


bR, bY, bG (b – кварк)
13 EMBED Equation.3 1415 - частица

Здесь латинскими буквами обозначены так называемые ароматы кварков, индексами – цвета кварков. Названия ароматов кварков:
U – от английского слова up – вверх;
C – от английского слова charm – очарование;
S – от английского слова strange – странный;
t – от английского слова top – верхний;
b – от английского слова botton – нижний;
d – от английского слова down – вниз.
Всё вещество во Вселенной составлено из четырёх частиц первого поколения. Частицы второго и третьего поколений рассматриваются как возбуждённые состояния частиц первого поколения.
Все частицы участвуют в гравитационных и слабых взаимодействиях. Так, например, действие слабых сил приводит к изменению природы частиц – превращению кварка одного аромата в кварк другого аромата, электрона в нейтрино и т.д. В электромагнитных взаимодействиях участвуют только те частицы, которые имеют электрический заряд. И, наконец, только кварки, обладающие цветным зарядом, способны участвовать в сильных взаимодействиях. Частицы, состоящие из кварков, являются адронами. Все адроны подразделяются на два класса – барионы, в состав которых входят три кварка с различными цветами, и мезоны, состоящие из пары кварк – антикварк. Таким образом, адроны, содержащие в себе цветные кварки, сами являются бесцветными. Барионами являются протоны и нейтроны – частицы, входящие в состав ядра атома. Протон состоит из двух U – кварков и одного d – кварка, его формула:
p = uud;
нейтрон состоит из одного U – кварка и двух d – кварков, его формула:
n = udd.
Протон имеет положительный электрический заряд, нейтрон является электрически нейтральной частицей. Ядра и электроны образуют атомы, а атомы – молекулы.
Физика кварков открыла новую страницу в истории физики. Поведение кварков необычно, так как они никогда не встречаются в свободном состоянии, а находятся в постоянном плену, заключены внутри адронов. Имеет место гипотеза конфайнмента (от англ. – confinement – пленение) кварков внутри адронов, согласно которой невозможно вылетание свободного кварка из адрона. Несмотря на это необычайное обстоятельство, существование кварков надёжно подтверждается многочисленными косвенными экспериментами.

6. Пространство и время.
Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение, структурность и протяжённость отдельных элементов материи относительно друг друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались: однородность – одинаковость свойств во всём пространстве и изотропность – независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т.е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. Пространство рассматривалось как трёхмерное, а время – как одномерное и идущее в одном направлении: от прошлого к будущему. Время необратимо. Таким образом, понятие «пространство» выражает:
- взаимное расположение материальных систем впереди, позади, вне, внутри, около, далеко, близко и т.д.;
- их способность занимать определённый объём, иметь протяжённость: длину, ширину и высоту;
- свойство материальных объектов иметь определённую форму и структуру.
Понятие «время» выражает также всеобщие свойства материальных систем:
- длительность существования предметов, систем и развития их отдельных фаз, сторон и т.д.;
- порядок следования и смена состояний, известная последовательность процессов (до, после, одновременно и т.п.).
Пространство и время представляют собой формы, в которых проявляется активность материи. Пространство и время есть единство бесконечного и конечного. Бесконечность пространства проявляется абсолютным характером движущейся материи, бесконечным разнообразием форм, структур, взаимопревращений материи. Бесконечность времени состоит в том, что материя вечна в прошлом и будущем, что время – это всеобщая форма существования бесконечной материи.
Конечность пространства выражается в прерывности движения, дискретности и дифференцированности материальных систем. Точно так же время складывается из бесконечного множества длительностей существования отдельных материальных систем.
В физике теория пространства и времени в рамках механической картины мира была обоснована И. Ньютоном. Он различал абсолютные и относительное пространство и время. Относительные пространство и время – это чувственно воспринимаемые зависимости между материальными телами, абсолютные – это математические пространство и время, которые независимы от материи, друг от друга и составляют пустые вместилища для материи. Тела, находясь в пространстве и двигаясь в нём, с ним никоим образом не взаимодействуют. Пространство является абсолютной системой отсчёта и остаётся всегда неподвижным, однородным, обладает одинаковыми геометрическими свойствами. Время Ньютон определял как чистую длительность и считал, что оно, так же, как пространство, служит абсолютной системой отсчёта, благодаря чему становится возможным измерение во времени реальных процессов. Но эти реальные процессы никак не воздействуют на абсолютное время. При этом основой пространственных понятий в механике Ньютона служила геометрия Евклида.
Некоторые учёные, не соглашаясь с Ньютоном, выступали с критикой его позиций. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования, тел, а время – как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он подчёркивал неразрывную связь материи с пространством и временем. Однако взгляды Лейбница не смогли переубедить учёных, уверенных в правоте Ньютона. Огромные достижения механики были основаны на понятиях абсолютного пространства и времени.
Ньютоновское пространство считалось бесконечным, плоским, евклидовым. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное. Это пространство выступало в качестве вместилища материальных тел, оно было независимой от этих тел инерциальной системой. Абсолютное время было однородным и равномерно текущим, одинаковым во всей Вселенной. Оно служило универсальной длительностью, независимой системой отсчёта любых процессов во Вселенной.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшему реляционную концепцию пространства и времени и давшему ей естественно-научное обоснование.
Теория относительности базируется на двух положениях:
скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчёта, движущихся прямолинейно и равномерно относительно друг друга;
все законы природы одинаковы во всех системах отсчёта, движущихся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.
Принцип постоянства скорости света, т.е. независимости скорости света от скорости источника и скорости наблюдателя, является естественным выводом из многих экспериментальных данных, например, опыта Майкельсона – Морли (см. гл. 1). Этот принцип является постулатом, т.е. допущением, выходящим за рамки экспериментальных проверок. Главным его подтверждением является согласие с экспериментом всех тех выводов, которые из него следуют. Фактически вся современная физика больших скоростей и высоких энергий основана на справедливости этого постулата.
А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что закон постоянства распространения света в пустоте и принцип относительности совместимы. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времён, то уравнения преобразования пространственных координат и времени при переходе от покоящейся системы отсчёта к движущейся вдоль оси x относительно неё равномерно и прямолинейно со скоростью v системе отсчёта будут иметь следующий вид:
13 EMBED Equation.3 1415
Эти соотношения называют преобразованиями Галилея. Для того, чтобы данные преобразования удовлетворяли требованию постоянства скорости света, их изменили:
13 EMBED Equation.3 1415

Эти соотношения были получены голландским физиком Х.А. Лоренцем и носят его имя. Абсолютности времени уже нет, каждая система отсчёта характеризуется своим собственным временем. Указывая момент времени, надо указывать также соответствующую систему отсчёта. Всё это заметно проявляется лишь при достаточно больших относительных скоростях систем; при v<13 EMBED Equation.3 1415
Во-вторых, оказалось, что и длительность событий в этих системах отсчёта будет разной:
13 EMBED Equation.3 1415
Длительность события в системе отсчёта, относительно которой тело неподвижно, называется собственным временем. Собственное время 13 EMBED Equation.3 1415 - минимально. При увеличении скорости движения тела этот промежуток времени увеличивается, т.е. время течёт медленнее. Процессы замедления времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега пи-мезонов, возникающих при столкновениях космических лучей с атмосферой Земли. Собственное время жизни этих частиц составляет 10-8 с и после своего возникновения они распадаются на небольшом расстоянии от места рождения (по расчётам, они могут пройти около 300 см). Но если пи-мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нём с нашей точки зрения замедляются, период полураспада увеличивается. Соответственно возрастает длина пробега, которая может составить до 30 км, что подтверждается экспериментально.
В-третьих, масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя этого тела:
13 EMBED Equation.3 1415
Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой покоя, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. А. Эйнштейн пришёл к заключению, что масса тела есть мера содержащейся в нём энергии: масса и энергия эквивалентны друг другу
13 EMBED Equation.3 1415
или 13 EMBED Equation.3 1415
Следует отметить, что рассмотренные эффекты становятся заметными, если измерять их из другой системы, движущейся относительно первой системы со скоростью, сравнимой со скоростью света. Они получили специальное название:
релятивистские эффекты – это изменения пространственно – временных характеристик тел, заметные на скоростях, сравнимых со скоростью света.
На малых скоростях уравнения специальной теории относительности будут давать практически те же результаты, что и формулы ньютоновской механики.
Итак, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимые от материи начала. Они называются в теории относительности четырёхмерным пространственно-временным миром. Отметим, что специальная теория относительности органично включает в себя наблюдателя, который только и может заметить релятивистские эффекты.
Новые аспекты зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов описываются в общей теории относительности, которая была разработана А. Эйнштейном в период с 1906 по 1916 гг. Эта теория основана на трёх постулатах.
Первый постулат: расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчёта, как инерциальных, так и неинерциальных.
Второй постулат: принцип постоянства скорости света (остался неизменным).
Третий постулат: принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Гравитационная масса – это характеристика способности тела участвовать в гравитационном взаимодействии, она входит в закон всемирного тяготения Ньютона:
13 EMBED Equation.3 1415
Инертная масса – характеристика поведения тела под действием внешних сил, входит во второй закон Ньютона:
13 EMBED Equation.3 1415
Эквивалентность этих масс была экспериментально проверена в 1890 г. венгерским физиком Л. Этвёшем. Сейчас этот результат подтверждён с высокой степенью точности – до 10-12.
Важнейший результат общей теории относительности, вытекающий из данных постулатов, заключается в том, что изменение пространственно-временных характеристик происходит не только при движении тел с большой скоростью, но и в гравитационных полях. Происходит это потому, что пространство под действием сил тяготения искривляется. Кривизна пространства не проявляется наглядным образом и понимается как отступление его метрики от евклидовой, что описывается математически. Теория относительности установила также замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже гравитационное поле Солнца, достаточно небольшой по космическим масштабам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Если будет послан радиосигнал в какую-либо точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, время прохождения радиосигнала будет больше, чем в том случае, если бы на пути этого сигнала Солнца не было. Задержка составляет 0,0002 сек. Эксперименты по измерению замедления времени проводятся с 1966 г. с помощью космических аппаратов и межпланетных станций.
Одно из удивительных предсказаний общей теории относительности – полная остановка времени в суперсильном поле тяготения. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определённых условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а его частота – к нулю.
Если бы наше Солнце сжалось до радиуса в 3 км или меньше, сила тяготения на его поверхности возрастёт настолько, что гравитационное красное смещение действительно оказалось бы бесконечным. Такое Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы. Такое состояние звезды называют чёрной дырой.
Чёрная дыра – это физическое тело, создающее столь сильное поле тяготения, что красное смещение излучаемого света станет бесконечным.
Чтобы возникла чёрная дыра, тело должно сжаться до радиуса, не превосходящего отношения массы звезды к массе Солнца, умноженного на 3 км. Такое критическое значение радиуса называют гравитационным радиусом тела. Обнаружить чёрную дыру необычайно сложно, ведь она ничего не излучает в пространство, их просто не видно. Однако по ряду косвенных признаков к настоящему моменту обнаружено несколько кандидатов в чёрные дыры. Отметим, что на поверхности чёрной звезды время, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.
Представления о пространстве и времени, сформулированные в рамках теории относительности Эйнштейна, на настоящий день являются наиболее последовательными. Однако они являются макроскопическими, описывают поведение больших объектов, больших расстояний. Пока нет экспериментальных данных, противоречащих применению этой теории в микромире. Но само развитие квантовых теорий, скорее всего, потребует пересмотра наших представлений о физическом пространстве и времени.
Уже сейчас есть, например, гипотезы о существовании кванта пространства – фундаментальной длины L. Из существования кванта пространства также вытекает существование кванта времени, равного L/c, ограничивающего точность измерения временных промежутков. Тем не менее вопрос о времени до сих пор остаётся одним из самых сложных и загадочных для человека. До сих пор не потеряли значение слова Августина Блаженного: «Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что есть время».


Контрольные вопросы:
1. Что понимается под пространством и временем?
2. Сформулируйте принцип относительности в классической механике.
3. Что нового вносит специальная теория относительности в принцип относительности классической механики?
4. Как изменяется характер времени в движущейся и покоящейся инерциальных системах отсчета?
5. Как была проверена правильность общей теории относительности?
6. Почему луч света искривляется вблизи тяготеющих масс?
7. Что представляет собой кварк?
8. Как классифицирует современная наука элементарные частицы?
9. Сформулируйте концепции дальнодействия и близкодействия.
10. Какие понятия являются основными в электромагнитной картине мира?
11. Что входит в состав фундаментальных констант?
12. Опишите модель физического взаимодействия.


Примерные темы рефератов:
1. Физический вакуум: мир на границе реального.
2. Теория тяготения Эйнштейна. Происхождение звезд.
3. Теория горячей Вселенной. Антропный принцип.
4. Гравитационный коллапс. Черные дыры.
5. Кварковая теория элементарных частиц.


Тестовые задания:
1. Какое из понятий характеризует свойство времени?
1. Свойство материальных систем иметь определенную структуру.
2. Взаимное расположение материальных систем.
3. Длительность существования систем и развитие их фаз.
4. Способность занимать определенный объем.

2. Какое из определений не выражает понятие «пространство»?
1. Взаимное расположение материальных систем.
2. Их способность занимать определенный объем.
3. Свойство материальных систем иметь определенную форму.
4. Порядок следования предметов, систем и развитие их отдельных фаз, сторон, ступеней.

3. В специальной теории относительности:
1. Время одномерное, пространство трехмерное.
2. Пространство одномерное, время трехмерное.
3. Пространство и время образуют единый четырехмерный континуум.
4. Ни одно из них.

4. Движение Луны вокруг Земли связано с проявлением:
1. Сильного взаимодействия.
2. Гравитации.
3. Электромагнетизма.
4. Слабого взаимодействия.

5. Эмпирическим доказательством общей теории относительности явилось:
1. Постоянство скорости света.
2. Красное смещение в спектрах удаленных галактик.
3. Отклонение световых лучей вблизи Солнца.
4. Ускорение времени в гравитационном поле.

6. Резонансы отличаются от других групп элементарных частиц тем, что имеют:
1. Нулевую массу.
2. Нулевой электрический заряд.
3. Очень малое время жизни.
4. Бесконечно большое время жизни.

7. Согласно концепции Ньютона, пространство и время – это:
1. Внешние условия бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.
2. Лишь способы нашего восприятия, наши ощущения.
3. Два разных способы описания одной и той же реальной сущности, и друг без друга они не существуют.
4. Не самостоятельные сущности, а формы существования материальных объектов.

8. Согласно принципу относительности Галилея:
1. Все системы отсчета и инерциальные, и неинерциальные физически эквиваленты.
2. В инерциальных системах отсчета все механические процессы идут одинаково.
3. В инерциальных системах отсчета абсолютно все физические процессы идут одинаково.
4. В неинерциальных системах отсчета все механические процессы идут одинаково.

9. Черные дыры обладают следующим свойством:
1. Время на их сфере останавливается.
2. Они излучают лишь в инфракрасном диапазоне.
3. Их светимость периодически меняется от нуля до некоторого максимума.
4. Они излучают лишь в ультрафиолетовом диапазоне.

10. Элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, называются:
1. Бозонами.
2. Фермионами.
3. Нейтронами.
4. Виртуальными частицами.























13PAGE 15


13PAGE 14115










Root Entry

Приложенные файлы

  • doc file11
    Размер файла: 221 kB Загрузок: 5