ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.01.2020
Просмотров: 1382
Скачиваний: 3
Приведем некоторые параметры для сравнения:
• электрон: r 10-18 м, m 10-30 кг
• Земля: d 107 м, m 6.10 24 кг
• Солнце: d 1,4.109 м, m 2.1030кг
• Солнечная система: d 6.1016 м, m mc
• Наблюдаемая Вселенная: r 1026 м, m 1050 кг
Микромир. Квантовая теория позволила проникнуть в глубины микромира. В качестве первой элементарной частицы был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX века —фотон, протон, позитрон и нейтрон. Число частиц, именуемых элементарными, достигло в настоящее время почти 400, хотя дать строгое определение понятию «элементарная частица» весьма затруднительно. В качестве первого приближения «под элементарной частицей можно понимать такую микрочастицу, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободных частиц»*.
Элементарные частицы можно разделить на два класса: фермионы (в честь Энрико Ферми) и бозоны (в честь Шатьендраната Бозе). Фермионы составляют вещество, бозоны (фотон, гравитон, глюоны, векторные бозоны) переносят взаимодействие. Фермионы, в свою очередь, делятся на лептоны (греч. leptos — «легкий») и адроны (греч. adros — «сильный»). К лептонам относятся электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Все они обладают слабым взаимодействием. К адронам принадлежат два класса частиц: мезоны (пи-мезоны — пионы, ка-мезоны — каоны, эта-мезоны) и барионы (нуклоны — протон, нейтрон и гипероны — лямбда, сигма, кси, омега). Мезоны относятся к нестабильным частицам, барионы составляют класс тяжелых частиц.
Все элементарные частицы обладают целым спектром различных характеристик.
• Электрическим зарядом (все известные частицы имеют либо положительный, либо отрицательный, либо нулевой заряды). Каждой частице, кроме фотона и мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. У частицы и античастицы одинаковы массы покоя, спин и время жизни; при их взаимодействии происходит аннигиляция (уничтожение) каждой из них, при этом выделяется энергия. В 60-х годах XX века была высказана гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом, хотя экспериментального подтверждения данная гипотеза еще не получила.
• Массой покоя, причем масса покоя частицы определяется по отношению к массе покоя электрона. Однако существуют элементарные частицы — фотоны, не имеющие такой массы.
• Временем жизни: с этих позиций все частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным частицам относятся фотон, разновидности нейтрино, электрон и протон. Все прочие частицы — нестабильны, время их жизни около 10-10 — 10-24 с, после чего они распадаются. Элементарные частицы со временем жизни 10-22 — 10-23 с называются резонансами. Резонансные состояния вычислены только теоретически и не зафиксированы в реальных экспериментах.
• Спином — собственным моментом количества движения микрочастицы, а также иными характеристиками: изотопическим спином, странностью, лептонным и барионным зарядами, четностью и т.д.
Между элементарными частицами может происходить четыре типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Отметим, что все названные типы взаимодействия относятся к фундаментальным взаимодействиям в природе вообще. В квантовой теории установлено, что любому полю соответствуют частицы, осуществляющие взаимодействия. Эти взаимодействия переносятся четырьмя типами бозонов.
Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно действует на расстоянии порядка 10-15 м, а время протекания составляет — 10-23 с. Глюоны переносят сильные ядерные взаимодействия.
Электромагнитное взаимодействие реализуется между заряженными частицами. Носителем такого взаимодействия является фотон, квант электромагнитного поля. При электромагнитном взаимодействии электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы —в молекулы. Радиус взаимодействия не ограничен, время протекания 10-20 с.
Слабое взаимодействие связано, главным образом, с распадом элементарных частиц, а также с взаимодействием нейтрино с веществом. Взаимодействие простирается на расстояние порядка 10-18 м, а время протекания — 10-10 с. Векторные бозоны осуществляют перенос слабых взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие в микромире может не учитываться, хотя в космических масштабах оно имеет решающее значение, радиус его не ограничен. Силу тяготения между телами, имеющими массу, переносит гравитон.
Некоторые частицы участвуют во всех типах взаимодействий (протон), другие —только в некоторых (электрон, мюон). Взаимодействия элементарных частиц происходят посредством соответствующих физических полей, квантами которых они являются. Состояние, в котором отсутствуют кванты поля, называется вакуумом.
Физика элементарных частиц пока еще не дает полного понимания микромира на единой основе, но такую задачу ставят перед собой исследователи, стремящиеся объединить все четыре типа взаимодействий в единой теории поля. Максвеллу удалось свести электрическое и магнитное взаимодействия в единое — электромагнитное. В настоящее время уже создана теория электрослабых взаимодействий, объединяющая слабое и электромагнитное взаимодействия (теория Вайнберга —Глэшоу —Салама, разработанная в 1967 году). Сегодня стоит задача включить в эту теорию и сильное взаимодействие, а затем —гравитационное.
В физике микромира было раскрыто и строение атомного ядра —центральной части атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный заряд. Ядро атома состоит из элементарных частиц —нуклонов (это протоны и нейтроны). Ядро в целом —устойчивая система, для ее разрушения требуется определенная энергия. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, которые являются короткодействующими. Механизм действия ядерных сил основан на том же принципе, что и электромагнитных —на обмене взаимодействующих объектов виртуальными частицами. Виртуальные частицы существенно отличаются от обычных частиц, называемых реальными. Их нельзя непосредственно наблюдать в эксперименте. Виртуальные частицы —это возможные, еще не возникшие частицы, которые для своей актуализации требуют определенных затрат энергии.
Отметим еще ряд моментов, характерных для физики микромира. Уже указывалось, что всем объектам микромира присущи и корпускулярные, и волновые свойства. В связи с этим возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики. Так, в классической механике утверждается, что всякая частица движется по определенной траектории, отсюда в любой момент времени могут быть точно зафиксированы ее координата и импульс. Но поскольку микрочастица обладает волновыми свойствами, то нельзя говорить о ее движении по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Принцип неопределенности, сформулированный В. Гейзенбергом, гласит: объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Причем невозможность одновременно точно определить координату и импульс связана не с несовершенством измерительных приборов, а со спецификой объектов микромира, вытекающей из их корпускулярно-волнового дуализма.
Еще одной отличительной особенностью квантовой теории является необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц. Описание последних с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
Макромир. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой. В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица —корпускула и физическое тело (как единая система корпускул), другими словами, идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело. Взаимодействие тел в макромире осуществляется под действием силы тяготения и электромагнитных сил.
Масса представляет собой одну из важнейших физических характеристик материальных объектов. Общепринятое в классической физике определение массы было сформулировано Ньютоном: количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее. Однако фактически работающим в концепции Ньютона оказывается понятие массы как меры инерции тел. Бесспорно, массу можно определить как меру инерции материальных объектов, но это не означает, что данное определение дает исчерпывающую характеристику. Масса пропорциональна энергии и потому может быть охарактеризована как мера энергии. Наконец, масса выступает и как мера гравитационных свойств материальных объектов. Постоянство и независимость ускорения свободного падения тел от их массы возможны только при равенстве инертной и гравитационной масс.
Среди фундаментальных понятий классической физики и понятие «сила». Сила —физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, т.е. их перемещения друг относительно друга.
К числу основных понятий макромира принадлежит и «энергия» —общая мера различных форм движения. Качественно различные физические формы движения материи способны превращаться друг в друга. Данный процесс превращения сопровождается определенными количественными эквивалентами, что и позволяет выделить общую меру движения —энергию. Перечислим известные виды энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная, гравитационная и т.д.
Как отмечалось, помимо сил тяготения в макромире проявляются и электромагнитные силы, источником которых является электрический заряд (закон Кулона, формула Лоренца, уравнения электромагнитной теории Максвелла).
Говоря об исследовании свойств макромира, нельзя не выделить и учение о строении и свойствах вещества, которое называется молекулярно-кинетической теорией. В ее основе лежат следующие принципы:
• вещество состоит из атомов и молекул;
• атомы и молекулы находятся в хаотическом движении;
• между ними действуют силы взаимного притяжения и отталкивания;
• вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.
К числу важнейших законов природы, проявляющих себя в макромире, относятся законы сохранения импульса, сохранения и превращения энергии, а также закона механического движения (три закона Ньютона), закон всемирного тяготения, сформулированный им же, и другие. Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического (положившего основу термодинамики) и статистического (заложившего молекулярную физику). Изучение электромагнитного поля породило новую науку —электродинамику. Такова в общих чертах физика макромира.
Мегамир. Провести строгую границу между макромиром и мегамиром достаточно сложно. Предполагают, что мегамир начинается с расстояний 107 м и с масс 1020 кг. Для измерения таких огромных величин введены специальные единицы:
• световой год (расстояние, которое проходит свет в течение одного года): 1 световой год равен 9,46 .1015 м;
• астрономическая единица (среднее расстояние от Земли до Солнца): 1 а.е. равна 1,5 .1011 м;
• парсек: 3,26 св. г. равен 3,08. 1016 м.
Мегамир изучается, прежде всего, астрономией. Именно эта наука исследует движение и природу небесных тел, их происхождение и дальнейшее развитие. Мегамир образует систему небесных тел, которая, в свою очередь, имеет системную организацию в форме планет и планетных систем; звезд и звездных систем —галактик; системы галактик —Метагалактики. Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей, которая существует как в виде разобщенных атомов и молекул, так и в форме газово-пылевых туманностей (гигантских облаков пыли и газа). Материя может существовать также и в виде излучения.
В нашей Галактике 97% вещества сосредоточено в звездах —гигантских плазменных образованиях различной величины и температуры. Среди основных характеристик звезд: температура, которая определяет цвет звезды (красноватый, желтоватый, белый и голубоватый), светимость, радиус, магнетизм, химический состав (как правило, звезды представляют собой водородные и гелиевые плазмы).
Современная астрономия располагает большим числом аргументов, что звезды образуются путем конденсации облаков газопылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд продолжается и в настоящее время. Источником звездной энергии являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при очень высокой температуре.
Картина эволюции звезды выглядит следующим образом. Эволюция начинается с конденсации облака межзвездной газопылевой среды. Под влиянием сил всемирного тяготения из него образуется сравнительно плотный газовый шар. Поскольку давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, он будет непрерывно сжиматься (глобулы). При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть энергии излучается в окружающее пространство. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции. Газовый шар перестает сжиматься. При термоядерных реакциях происходит «выгорание» водорода и превращение его в гелий (что имеет место только в центральных областях звезды, в то время как наружные слои сохраняют содержание водорода относительно неизменным). После выгорания водорода ядро звезды начинает сжиматься, в то же время происходят ядерные реакции на периферии. После того как температура плотного гелиевого ядра звезды достигнет 100—150 млн К, начнется новая ядерная реакция, которая приведет к образованию углерода и прекращению сжатия ядра.
Далее следует процесс медленного остывания звезды и превращения ее в белого карлика. Постепенно остывая, звезды все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые черные карлики (холодные звезды с очень большой плотностью).
Однако не все звезды проходят такой плавный путь эволюции: некоторые из них на заключительном этапе эволюции взрываются. В таких случаях говорят о вспышке «сверхновой» звезды.
Звезды образуют определенные системы —звездные скопления, которые являются частями более общей системы —галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. По форме галактики бывают эллиптические, спиральные и неправильные (с вихревыми движениями газов). В настоящее время насчитывают около 10 миллиардов галактик. Галактика, включающая в себя Солнечную систему, является спиральной системой, состоящей приблизительно из 120 миллиардов звезд. Она имеет форму утолщенного диска, наибольший диаметр которого 100 тысяч световых лет. Ближайшей к нам галактической системой является туманность Андромеды (расстояние до нее —2 миллиона 700 тысяч световых лет). Системы галактик образуют Метагалактику, включающую в себя все известные космические объекты.