Концепции современного естествознания

В соответствии с законом сохранения энергии все формы движения материи могут переходить одна в другую. Но существуют “ловушки”, в которых различные виды движения материи превращаются в тепловое движение -трение, электрическое сопротивление, теплопроводность. А это превращение необратимо. В конце концов вся энергия системы превращается в энергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве, а энтропия системы достигает максимума.

Энергия и энтропия всегда рядом. Энергия дает жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветру. А энтропия? Если бы ее не было, все процессы в мире стали бы обратимыми. Книга соскользнет на пол и расползется на волокна, раскрутятся гайки и винты, на нас обрушится какофония звуков, которую произведут все происшедшие на Земле удары грома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей... В таком мире все виды движения материи будут долго превращаться друг в друга без потерь, но как бы мы прожили в этом мире?

Ближний порядок - относительно упорядоченное расположение соседних частиц внутри малых объемов вещества. Дальний порядок - регулярное периодическое расположение частиц вещества по всему занимаемому им объему.

Строгое определение порядка и беспорядка математики дали лишь где-то в начале 60-х годов ХХ века.

Сравним две записи:

1) 1010101010101010101010101010101010101010

2) 1100001101010000001110101000001110011001

Для записи первого числа достаточно сказать: повтори набор 10 двадцать раз, для записи второго нужно продиктовать все 40 цифр.

Степень беспорядка может быть определена объемом информации, которую надо сообщить для записи числа.

3) 000011100000001111111111000000011111100000000

Данная запись характеризуется микроскопическим беспорядком (последовательности цифр чередуются как попало), но макроскопическим порядком (часто встречаются длинные последовательности нулей и длинные последовательности единиц).

Тело или система с идеальным макроскопическим беспорядком, в котором все направления равноценны, называется изотропным.

Тело, в котором разные направления неравноценны, называют анизотропным.

Распределение молекул в газах является примером осуществляющегося в природе полного, совершенного беспорядка в расположении и движении частиц.

ХасХс (гр.) - полный беспорядок. Хдаос - в древнегреческой мифологии бездна, наполненная мраком и туманом, из которого произошло все существующее.

Модель 1: мешки с картошкой, уложенные штабелями. Центры мешков образуют правильную трехмерную решетку, а внутри мешка полный беспорядок. Макроскопический дальний порядок есть, микроскопического нет.

Модель 2: мешки с картошкой свалены как угодно, у каждого в среднем двенадцать соседей. От дальнего макроскопического порядка мы избавились, а ближний остался.

Деление порядка на ближний и дальний, на макроскопический и микроскопический могут сочетаться, как угодно, и все случаи действительно встречаются в мире молекул и кристаллов.

Особенно интересны такие сочетания в мире живого, где мы находим случаи отсутствия микроскопического порядка и наличия дальнего макроскопического. Так обстоит дело в структуре мышц, в молекулах ДНК.

Если молекулы предоставлены сами себе и на них не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболее вероятным является беспорядочное распределение молекул. Беспорядочным является такое состояние, когда средние скорости молекул во всех точках пространства одинаковы.

В любой области знаний мы сталкиваемся с проблемами порядка и беспорядка (информация, генетика, суждения людей...) Например макроскопическим порядком обладают суждения людей о спортивных достижениях (измеряемые в баллах), о понятиях добра и красоты...

Переходы вещества из одной фазы в другую при изменении состояния системы называют фазовыми превращениями. Фаза - совокупность телесных объектов с определенным химическим составом и термодинамическими свойствами, отделенная от других фаз поверхностью раздела. Или иначе: фаза - это однородная часть неоднородной системы.

Фазовый переход - переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.

Фазовый переход первого рода - сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности.

Фазовый переход второго рода - отсутствует скачкообразное изменение внутренней энергии или плотности.

Фазовые переходы второго рода связаны с изменением порядка. Вблизи температуры фазового перехода степень порядка сколь угодно близка к нулю. Поэтому фазовый переход второго рода не требует затрат энергии.

При фазовых переходах второго рода происходит изменение внутренней симметрии тел. Примерами таких переходов могут служить: 1) переход металла в сверхпроводящее состояние; 2) переходы ферромагнетик - парамагнетик; 3) переход жидкого гелия в свертекучее состояние.

Мир - это непрерывно хаотически движущиеся атомы и молекулы. Однако как это связать с гармонией и красотой окружающего нас макромира?

Джон Холл (XVII век): “Если то, что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своем вихревом движении, то как случилось, что ты прекрасна, а я влюблен?”

Чем объясняется направленность процессов в окружающем мире? Закон, при помощи которого можно предсказать направление эволюции какой-либо физической системы, называется вторым началом термодинамики. Одна из его формулировок гласит: замкнутая система сама по себе, т.е. самопроизвольно, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.

Закон возрастания энтропии можно сформулировать следующим образом: во всех замкнутых системах энтропия никогда не убывает, она либо остается постоянной, либо возрастает. Соответственно этим двум возможностям все процессы, которые могут происходить с телами, делятся на обратимые и необратимые. Первые из них могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, поскольку энтропия при этом не меняется; для вторых - это невозможно, поскольку связано с уменьшением энтропии.

По мнению ряда авторов, наблюдаемое в лабораторных экспериментах направление времени тесно связано с направлением времени, характерным для Вселенной в целом. Возможно, следует предположить существование некоторого взаимодействия (может быть, гравитации), наличие которого вообще делает в принципе невозможным строгую изоляцию системы, и именно это взаимодействие “диктует” направление времени во всех частях Вселенной (Ф.Кемпфер, 1972).

Развитие материальных систем во Вселенной происходит необратимым образом - от прошлого к будущему. Это означает, что течение времени асимметрично: оно направлено от прошлого (через настоящее) к будущему, причина всегда предшествует следствию, “стрела времени” всегда устремлена в будущее.

Не следует слишком упрощенно понимать связь стрелы времени с космологическими процессами: стрела времени не будет изменять свое направление на обратное, если Метагалактика когда-нибудь перестанет расширяться и начнет сжиматься. Если наблюдатели могли бы только по часам судить о происходящих во Вселенной процессах, то они, вероятно, даже не заметили бы, что расширение Метагалактики сменилось сжатием.

1. Аронов Р.А. Квантовый парадокс Зенона/ Природа, 1992, 12

2. Ильин В.Г., Илясов Ю.П., Кузьмин А.Д. Пульсары - независимые стандарты времени/ Природа, 1990, 2

3. Киржниц Д.А. Элементарная длина/ Природа, 1991, 10

4. Фролов В.П. Черные дыры, “кротовые норы” и машина времени/ Природа, 1991, 8

5. Хокинг С. Стрела времени/ Природа, 1990, 1

Выделяют три крупных структурных уровня организации Вселенной:

- мегамир (Галактики, Метагалактика)

- макромир (человек, окружающая среда, планета)

- микромир (элементарные частицы, атомы, молекулы)

С точки зрения физиков иерархия объектов природы выглядит следующим образом: элементарные частицы - ядра - атомы - молекулы - макротела (кристаллы, жидкости, газы, плазма) - планеты - звезды - галактики -Вселенная. Биологи предлагают следующую иерархию биологических систем: макромолекулы - органоиды - клетки - ткани - органы - системы органов - организмы - популяции - виды - биоценозы - биосфера.

В социологи можно выделить следующие уровни социальной организации: семья - род - племя - нация - цивилизация (?)

Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. В природе существуют качественно различные связанные системы объектов - ядра, атомы, макротела, звездные системы. Существует нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы разрушить систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией взаимодействия, или просто взаимодействием.

В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.

Гравитационное взаимодействие (тяготение). Притяжение тел к Земле, существование солнечной системы и галактик обусловлено действием сил тяготения, или, иначе, гравитационными взаимодействиями.

Эти взаимодействия универсальны, т.е. применимы к любым микромакрообъектам. Однако они существенны лишь для астрономических объектов, для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают с уменьшением массы объектов и практически не играют роли для ядерных и атомных систем.

Источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия неограниченна.

Закон всемирного тяготения (Ньютон): гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (тела), обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами и прямо пропорциональна произведению их масс.

где G - гравитационная постоянная =

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Радиус их действия также не ограничен, но оно преобладает внутри вещества: определяет химические связи, излучение света, намагничивание, словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах. Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, а слабое и сильное - из-за их короткого радиуса действия. Энергия ионизации атома, т.е. энергия отрыва электрона от ядра определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных (в сотни раз), ибо иначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия проявляются лишь в пределах ядра на расстояниях менее 10-13 см. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны в ядре и кварки внутри нуклонов.

Нуклон-нуклонная сила не является “чистой” силой притяжения. На расстояниях порядка 10-14 см она становится силой отталкивания. Мы до сих пор не знаем природы этих сил во всех деталях; их разгадка является одной из главных проблем современной ядерной физики.

Слабые взаимодействия. Слабое взаимодействие существует между любыми парами элементарных части. Радиус их действия не больше, чем у ядерных сил, а может быть, и равен нулю.

Обнаруженная в 1896 году Беккерелем радиоактивность была первым сигналом о наличии слабых взаимодействий. Оказалось, что слабое взаимодействие принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.

Оно является единственным взаимодействием, существующим между электроном и нейтрино

Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино.

Слабое взаимодействие вызывает переходы между разными типами кварков, бета-распады нуклонов в ядрах. При бета-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино.

Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрона. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин.

Аналогичное событие происходит с мюоном - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем, как распасться, мюон живет около 10-6 с.

40 лет понадобилось физикам, чтобы прийти к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г.)

Значительное число медленных распадов элементарных частиц сопровождается излучением нейтрино. Эта частица крайне слабо взаимодействует с веществом. Длина пути между двумя столкновениями нейтрино с частицами вещества в среде с обычной плотностью - 1017 км. Следовательно, Земля для нейтрино совершенно прозрачна.

По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное) - электрическое - слабое - гравитационное.

Физики пытаются уловить связь между силами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны друг с другом. Электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Элементарные частицы - кварки и лептоны - излучают и поглощают кванты электрослабого поля, которыми являются фотоны и бозоны.

Радиус действия слабых сил см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы.

Дальше начинается область гипотез. Согласно большинству из них, электрослабые взаимодействия объединяются с сильными на масштабе см. Трудно представить себе эксперименты на таких малых масштабах. Однако решающий эксперимент для проверки этого, так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона. Это процесс, при котором в нуклонах происходят превращения кварков в антикварки и лептоны.

Вероятности таких превращений очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя - она бы рассыпалась на более легкие частицы. По теоретическим оценкам время жизни протона должно составлять лет. Это намного больше, чем возраст Вселенной. Но даже такие крайне редкие события можно попытаться обнаружить.

Другое вероятное следствие Великого объединения - это существование монополей, одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика. Опыты по обнаружению космических монополей сейчас ведутся.

Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь это будет Суперобъединение - все четыре силы природы сводятся к одной, исходя из какого-то фундаментального принципа. В последнее время все чаще высказывается мысль, что этот принцип геометрический, как и принцип общей теории относительности.

Протон. Стабильная частица, ядро атома водорода. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Протон имеет положительный электрический заряд в точности равный абсолютной величине заряда электрона. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из трех кварков. Эксперименты по рассеянию электронов на протонах свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Размеры протона около см. Протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц. Время жизни протона лет, что во много раз больше возраста Вселенной (лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни.

Нейтрон. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд равен нулю. Состоит из трех кварков. Устойчив лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона около 15 мин. Они возникают в природе или получаются в лаборатории в результате ядерных реакций. Масса нейтрона 1840. Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. Они играют важную роль в ядерной энергетике.

Кварки вначале рассматривались как чисто математические структурные элементы, открывающие возможность удобного описания адронов. Эксперименты выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований, которые отождествили с кварками.

Название было заимствовано М.Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. В переводе с немецкого “кварк” - “творог”, но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное; герою снится сон, где чайки кричат: ”Три кварка для мистера Марка”. Термин вошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной и таинственной роли кварков в физике.

Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом. Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - “аромат” и “цвет”. Каждый кварк может находиться в одном из трех “цветовых” состояний, которые условно называют “красным”, “синим” и “желтым”. Все три состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массы всех цветовых состояний также строго одинаковы.

“Ароматов” известно пять и предполагается существование шестого: truth, beauty, charmed, strange, down, up (правдивый или истинный, прелестный или красивый, очарованный, странный, низ, верх). Свойства кварков с различными “ароматами” различны.

Каждый кварк может быть окрашен в любой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния +1/2 и по два зарядовых состояния. Это дает 6x3x2x2, т.е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайших u- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки рождаются искусственно.

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях - гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше .

В свободном состоянии кварки до сих не наблюдались, и есть теоретические соображения, которые указывают на невозможность таких состояний для кварков.

Лептоны - частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны как и кварки, рассматривают как бесструктурные точечные частицы, как истинно элементарные.

Электрон - отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной сейчас массы, и наименьшего электрического заряда в природе. Заряд электрона примерно равен Масса электрона примерно

Электрон стабилен, время его жизни не менее лет. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрино - электрически нейтральная частица. Вероятно существует не более 4-6 типов нейтрино. Масса покоя нейтрино обычно считается равной нулю, как у фотона. Но в отличие от фотона для этого нет серьезных оснований. Японские и американские физики определили массу покоя электронного нейтрино в пределах 11 - 13,4 эВ/с2.

Нейтрино столь же распространенная частица как и фотон. Нейтрино образуется в слабых распадах атомных ядер и элементарных частиц. Мощные потоки нейтрино испускаются звездами в результате происходящих в их недрах термоядерных реакций. Предполагается, что нейтрино в изобилии рождаются при гравитационном коллапсе звезд. Наконец, все пространство заполнено нейтринным газом, оставшимся от ранних этапов развития Вселенной.

К частицам - переносчикам взаимодействий относятся: глюоны, фотоны и массивные промежуточные бозоны.

Взаимодействия элементарных частиц представляются как своеобразная игра в мячики: перебросом глюонами осуществляется связь между кварками, обмен фотонами происходит в актах взаимодействия электрически заряженных частиц, массивные промежуточные бозоны ответственны за медленные распады частиц и за чрезвычайно слабое взаимодействие всех типов нейтрино с веществом.

Фотон - квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Масса покоя, равная нулю, означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить. Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью c.

Фотон - наиболее распространенная из всех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и в рентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах.

В 1964 г. американские радиоастрономы А.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполнено миллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонный газ при температуре 2,7 K. По современным представлениям, это излучение (его называют реликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной. Средняя плотность реликтовых фотонов составляет около 500 в 1 см3. Интересно, что плотность протонов во Вселенной в среднем не более одного на 1 м3. Таким образом, во Вселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Античастицы. К настоящему времени экспериментально обнаружены античастицы почти всех элементарных частиц. Частица и соответствующая античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода.

Античастицы могут собираться в антивещество. Так в Серпухове на ускорителе получен антигелий-3, у которого ядро состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона и окружено оболочкой из пары позитронов.

Частицы и соответствующие им античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения; это указывает на отсутствие “антигравитации”.

Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом. Ведь аннигиляция только 1 г вещества и антивещества приводит к выделению Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн.

Вселенная в основном состоит из обычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах количество частиц и античастиц совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частица и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19