Концепции современного естествознания

Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов (нуклонов). Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра.

В отличие от массы электрические заряды ядер строго равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов. Известны ядра с зарядом от 1e до 107e и с числом нуклонов от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами являются ядра с числами протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, получившими название магических.

Плотность массы ядер Радиусы ядер от (ядро гелия) до (ядро урана). Периоды полураспадов изменяются в пределах от лет до с.

Физика микромира описывается квантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускают существования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципе можно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классической пустоты.

Что же останется в “пустом” сосуде? В вакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.

Вакуум - это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означает отсутствия частиц. Как известно, число частиц не сохраняется в реакциях. Сохраняются энергия, электрический, барионный и лептонный заряды, но число частиц может меняться.

Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле - в частицы.

Ну а если не прикладывать энергии и рассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак не связаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источников энергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это не так. Известное соотношение неопределенностей приводит к тому, что на короткое время любая система может перейти в состояние, отличающее на дельта E по энергии.

Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности энергия может переходить в массу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время. Например для протона это время равно около с.

В атомной физике эффекты, вызываемые виртуальными частицами, довольно незначительны. Однако чем более мелкие частицы рассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своими виртуальными частицами. Например, в ядерном веществе протоны имеют меньшую массу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса “налипших” виртуальных пи-мезонов.

На уровне кварков свойства вакуума уже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.

На свехмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Но пока еще невозможно представить себе какие бы то ни было эксперименты при очень больших энергиях и в столь малых масштабах пространства.

При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное - молекулярным.

При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов является правильным. Для них характерно равновесное положение в узлах кристаллической решетки. Их движение сводится к колебаниям вблизи этих узлов.

Геометрия кристаллического состояния отличается необычайным разнообразием, но число типов решеток ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (графит и алмаз). Тела могут сильно различаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.

Подавляющее большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Даже глина состоит из маленьких кристалликов. Свойства твердого тела зависят от строения кристаллического зерна, размера кристалликов, их взаимного расположения и силы, сцепляющей их в единое тело.

Общий порядок в расположении кристаллических зерен называется текстурой. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия.

Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам и по некоторым свойствам они скорее должны быть причислены к жидкостям, нежели к твердым телам. Аморфное тело типа стекла содержит признаки как твердого, так и жидкого тела: расположение атомов обладает лишь ближним порядком, но атом в своем движении остается в неизменном окружении - соседи не обмениваются местами.

К аморфным телам относится большое число органических веществ, например, пластмассы, органические стекла.

“Жидкие кристаллы” или жидкое твердое тело - к этому обширному классу веществ относятся многие органические и биоорганические вещества. Такое состояние наблюдается в определенном интервале температур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость, если охладить - станет кристаллом.

Эти вещества сочетают в себе свойства жидкости и кристалла. Обнаружены два типа жидких кристаллов: в первом расположение молекул обладает ближним порядком, однако все молекулы располагаются параллельно друг другу; во втором - молекулы располагаются слоями.

Мыло, растворенное в воде, образует жидкие кристаллы, с чем связаны его моющие свойства. Мыльный раствор состоит из большого числа двойных слоев молекул.

При повышении температуры происходит фазовый переход кристалл-жидкость (плавление). Каждое вещество имеет свою строго определенную температуру плавления.

В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными. Тепловое движение в жидкостях носит довольно сложный характер.

Молекулы жидкости совершают в основном колебательные движения, положения равновесия не строго фиксированы, но молекула остается в окружении все тех же соседей. Легкость, с которой молекула может менять своих соседей, связана с вязкостью.

При переходе жидкости в пар (испарение) при атмосферном давлении вещество практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разреженных газах по существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.

Дальнейшее повышение температуры ведет к ионизации атомов, т.е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазменным.

Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Макротела астрономического масштаба - планеты. Масса Земли приблизительно г, радиус - 6400 км, средняя плотность 5,5 г/см3. В недрах планет вещество находится под высоким давлением. При сжатии вещества проявляется тенденция “сглаживания” его свойств. Наружные электронные оболочки атомов, ответственные за “индивидуальность”, при давлениях атм перестают существовать, ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятся коллективными.

Земля - планета жидкая. Это утверждение звучит парадоксально, поскольку течения вещества Земли почти незаметны для нас. Они, однако, существуют, их скорость составляет несколько см в год. В результате за 0,5 млрд. лет земная поверхность меняется очень существенно.

По настоящему твердой является только тонкая (20-40 км) оболочка -кора Земли. Вещество на глубинах от 40 до 400 км способно течь под влиянием высоких температур и давлений.

Мантией называют весь слой глубиной от 40 до 2920 км, где температура недр повышается примерно до 4,5 тыс. градусов. Ниже мантии вещество находится в расплавленном состоянии. Это жидкое ядро Земли радиусом 3450 км. Наконец, в самом центре Земли есть еще внутреннее твердое ядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества с плотностью около 13 г/см3.

Кора Земли, называемая литосферой, состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся друг относительно друга. Новая земная кора образуется в районах срединно-океанических хребтов, а старая кора, покрытая трехкилометровым слоем осадков, исчезает, ныряя под континенты.

Взаимные перемещения плит, рождение и разрушение твердой коры Земли сопровождаются землетрясениями. Когда погружающаяся литосферная плита попадает в зону высоких температур, происходят химические реакции, преобразующие ее осадочный слой. При этом образуются газы и водяные пары, которые вулканами извергаются в атмосферу, и возможно, что органическое вещество осадков частично переходит в нефть.

Именно вулканическая деятельность привела к появлению первичной атмосферы Земли, а вода, образовавшаяся при дифференциации вещества мантии, составила Мировой океан.

Солнце: масса г, радиус км, средняя плотность , находится от Земли на расстоянии около см, которое свет проходит за 499 с - это расстояние называют астрономической единицей а.е. Самая далекая от Солнца планета Плутон находится от него на расстоянии около 39,75 а.е.

Центральные области Солнца имеют температуру около K и давление около атм. В этих условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые ядра и свободные электроны. При этом становятся возможными термоядерные реакции (слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия), которые служат источником энергии звезд. Масса Солнца 1030 кг.

Галактики - это звездные системы. Число звезд в них порядка . Наша Галактика состоит приблизительно из звезд. Со стороны она представляет собой диск, утолщающийся к центру. Это диск имеет спиральную структуру и вращается с переменной угловой скоростью, большей в центральных областях диска, меньшей на его периферии.

Расстояния в галактиках измеряются в парсеках. Парсек (пс) около см, или 3,2 светового года = 206265 а.е.

Толщина Галактики вблизи Солнца 2000 пс. Диаметр ее диска 30 000 пс. Солнце вместе с его планетной системой находится вблизи края Галактики, приблизительно в 10 000 пс от ее центра.

Кроме звезд в Галактике имеются и другие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи. Масса Галактики около кг.

По данным спутника “Прогноз-9”, наша Галактика мчится в направлении созвездий Девы и Льва со скоростью более 500 км/с.

Поскольку размеры звезд невообразимо малы по сравнению с галактическими масштабами, то Галактику можно рассматривать как очень разреженный газ, в котором роль молекул играют звезды. Это газ настолько разрежен, что столкновения между его “молекулами” не происходят. Естественно, он не ограничен (?) стенками какого-либо сосуда. Почему же он не разлетается? Ответ заключается в том, что вся эта система держится силами собственного тяготения.

Средняя плотность материи в Галактике около . Средняя концентрация атомов равна 3 атомам на 1 см3. Сравним: в нормальных условиях в 1 см3 газа содержится 2,6x1019 молекул.

Известная нам часть Вселенной содержит около 1011 галактик. Мир галактик во Вселенной довольно разнообразен. Таких галактик, как наша (спиральных), приблизительно 80%. Встречаются неправильные галактики, имеющие достаточно произвольные геометрические очертания, и эллиптические, близкие по форме к эллипсоидам различной вытянутости.

Число звезд различно: карликовые галактики имеют приблизительно звезд, гигантские - до звезд. Большинство галактик подобно нашей имеет звезд.

Одиночные галактики встречаются редко. Подавляющее большинство их образует скопления, насчитывающие сотни и тысячи членов. Скопления не рассыпаются на отдельные галактики благодаря силам собственного тяготения. Как говорят, они являются гравитационно связанными объектами.

Размеры скоплений галактик исчисляются мегапарсеками (Мпс), т.е. миллионами парсек.

Скопления галактик, в свою очередь, образуют сверхскопления, содержащие десятки членов. Может быть такой процесс будет продолжаться без конца? Оказывается, нет. Согласно данным современных астрономических наблюдений, сверхскопления являются наиболее крупными структурными образованиями в Метагалактике - наблюдаемой части Вселенной.

Галактики, их скопления и свехскопления - это элементы ячеистой структуры Вселенной. Размеры ячеек - сотни мегапарсек, толщина их стенок порядка 2-4 Мпс. Крупные скопления располагаются в узлах ячеек. Сверхскопления представляют собой элементы этой ячеистой структуры.

В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна. Более того, можно утверждать, что в таких масштабах она вообще однородна и изотропна, т.е. ее свойства везде одинаковы.

Всегда ли распределение материи во Вселенной было и будет таким, как сейчас? Ответ отрицателен, потому что Вселенная эволюционирует.

Всякая наука стремится свести к минимуму число принципов или законов, лежащих в ее основе. Значение вариационных принципов заключается в том, что каждый из них заменяет несколько частных законов. Например, принцип Ферма эквивалентен отражения и преломления света, принцип наименьшего действия - законам механики.

Открытие вариационных принципов имеет многовековую историю. Герон Александрийский (I в.) сформулировал следующий оптический постулат: ”Скажу, что из всех лучей, падающих из данной точки и отражающихся в данную точку, минимальны те, которые отражаются под равными углами”. (Для сферических зеркал постулат Герона не всегда верен).

В XYII веке знаменитый французский математик П.Ферма сформулировал принцип, представляющий обобщение утверждения Герона: ”свет всегда идет по пути, требующему для своего прохождения минимального времени”.

Вариационные принципы механики ведут начало своей истории с конца XVII в.(И. Бернулли) и первой половины XVIII в. - французский ученый П.Мопертюи выдвинул вариационный принцип механики - принцип наименьшего действия. Согласно этому принципу, “путь, которого свет придерживается, является путем, для которого количество действия будет наименьшим”. Под действием Мопертюи понимал произведение скорости на длину пути.

Л.Эйлер, Ж.Лагранж и У.Гамильтон придали понятию действия содержание, используемое и сейчас. Произведение скорости на длину пути можно преобразовать в произведение квадрата скорости на время, заменив путь произведением скорости на время. Если ввести еще постоянный множитель, равный массе тела, деленной на 2, то получим произведение кинетической энергии на время, что и стало определением действия при отсутствии сил. При наличии сил действие равно среднему значению разности между кинетической и потенциальной энергией, умноженному на время движения. Был создан специальный математический аппарат для решения задач, связанных с применением принципа Ферма, или принципа наименьшего действия. Этот аппарат получил название вариационного исчисления, а соответствующие принципы стали называться вариационными принципами.

Понятие действия приобрело в физике особое значение после введения в 1900 г. немецким физиком М.Планком, основателем квантовой физики, кванта действия, равного фундаментальной постоянной h.

Сопоставление принципов Ферма и Мопертюи натолкнуло французского ученого Л. де Бройля в 1920-х гг. на идею о наличии у частиц вещества волновых свойств, что вскоре было подтверждено на опыте.

Э.Шредингер провел глубокий анализ вариационных принципов оптики и механики и ввел уравнение, носящее его имя.

Значение вариационных принципов заключается в том, что, зная действие и пользуясь этими принципами, можно вывести уравнение движения для любой системы.

Развитие ньютоновской теории способствовало становлению детерминистского взгляда на природу. Согласно этому мировоззрению, можно определить положения и скорости всех тел в замкнутой системе в какой-то момент времени, и если известны все силы взаимодействия между телами, то можно полностью рассчитать поведение системы в будущем. Иными словами, будущее системы предопределено.

На практике провести такой расчет невозможно. Даже если положение только одного тела в системе определено с малейшей неточностью, в результате взаимодействия этого тела с другими неточность будет расти постепенно по величине, так что по прошествии достаточно длительного времени поведение системы будет существенно отличаться от предсказываемого законами Ньютона.

Однако кроме этой практической трудности, существует еще и другое, принципиальное ограничение, обусловленное квантовой теорией и принципом неопределенности. При этом физикам приходится иметь дело с вероятностями.

В 1927 г. В.Гейзенберг, анализируя возможность измерения координаты и импульса электрона, пришел к заключению, что условия, благоприятные для измерения положения, затрудняют нахождение импульса, и наоборот -эти два понятия дополнительны друг другу.

Соотношение DpxxDx>=h называют соотношением неопределенностей. Иными словами, координата и скорость частицы не могут иметь одновременно строго определенных значений. Указанное обстоятельство ведет к тому, что если в некоторый момент времени известна координата электрона, то уже в следующий как угодно близкий момент времени его координата становится совершенно неопределенной. Мы вынуждены говорить лишь о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства. Понятие траектории электрона в этих условиях полностью теряет смысл.

Соотношение неопределенностей имеет весьма общее значение и применимо не только к электронам, но и к другим микрообъектам.

Еще одним примером соотношения неопределенностей является связь между неопределенностями в энергии и времени.

Дополнительными являются угловое положение вращающегося тела и его момент количества движения.

Соотношение неопределенностей - частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 (28) году: если в каком-либо эксперименте мы можем наблюдать одну сторону физического явления, то одновременно мы лишены возможности наблюдать дополнительную к первой сторону явления.

Принцип дополнительности Бор применял во многих областях. Так, например, физическая картина явления и его математическое описание дополнительны. Создание физической картины требует пренебрежения деталями и уводит от математической точности, а попытка точного математического описания затрудняет его ясное понимание.

Квантовая механика не дает однозначного ответа на некоторые вопросы, а лишь предсказывает вероятность того или иного результата.

Принципиальная неопределенность некоторых величин есть следствие применения классических понятий к описанию неклассических объектов.

Обычно под термином “симметрия” понимают либо зеркальную симметрию (левое - правое), либо центральную.

В физике под этим термином понимают неизменность не только предметов, но и физических явлений, и не только при отражении, но и вообще при какой-либо операции - при переносе установки из одного места в другое или при изменении момента отсчета времени.

Самая простая симметрия - однородность и изотропность (эквивалентность всех направлений) пространства. Она означает, что любой физический прибор - часы, телевизор, телефон - должен работать одинаково в разных точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия. То же самое относится и к повороту прибора, если отвлечься от силы тяжести, которая выделяет на поверхности Земли вертикальное направление.

Физические законы должны быть инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов.

Еще одна важная симметрия - однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они ни начались.

Законы природы не изменяются и от замены направления течения времени на обратное (разбивающееся яйцо! и молекулы в малом объеме газа).

Симметрия, связанная с изменением направления течения времени, приближенная: ее нарушение наблюдается в слабых распадах некоторых элементарных частиц - нейтральных К-мезонов.

Зеркальная симметрия (волчок, закрученный направо, ведет себя так же, как волчок, закрученный налево) явлений природы неточная, как и большинство других симметрий. В слабых взаимодействиях, ответственных за радиоактивный распад, она нарушается.

Из определенных принципов симметрии выводятся некоторые из законов сохранения.

Прямым следствием симметрии относительно переноса в пространстве является закон сохранения импульса (количества движения).

Импульсом, или количеством движения тела, называют произведение его массы на вектор скорости: p = mv. Для замкнутой системы величина полного импульса P сохраняется. Закон сохранения импульса связан с фундаментальным свойством пространства - однородностью, т.е. равноправием всех точек пространства.

Прямым следствием симметрии относительно вращения является закон сохранения момента импульса.

Прямым следствием симметрии относительно переноса во времени является закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии был точно проверен не только для перехода механической энергии в тепловую, но и для перехода в химическую и электромагнитную, а также для перехода электрической или химической в тепловую.

Закон сохранения энергии является строгим следствием равномерности хода времени. Ход времени определяется относительной скоростью протекания различных процессов в природе. Любое измерение интервала времени означает сравнение ритмов разных процессов. Равномерность хода времени означает, что всегда относительная скорость протекания всех процессов в природе одинакова. Равномерность хода времени установлена на примере излучения атомов. Атомы на звезде излучают свет такой же длины волны, как и атомы сегодняшнего дня, даже если свет был излучен миллиард лет тому назад.

Закон сохранения вещества (массы) после того, как была установлена связь массы с энергией, превратился в закон сохранения энергии.

Важнейшее следствие симметрии состоит в том, что каждой симметрии, как внутренней, так и пространственной, соответствует свой закон сохранения.

Существует еще один закон сохранения: полное число тяжелых частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным в природе.

1. Адлер С.Л. А.Д.Сахаров и индуцированная гравитация/ Природа,1990,8

2. Барабаш А.С. Двойной b-распад и его поиски/ Природа, 1995, 2

3. Бергстром Л., Рубинштейн Г. AMANDA на Южном полюсе: антарктические нейтрино/ Природа, 1996, 11

4. Бисноватый-Коган Г.С. Пульсары - новые открытия и проблемы/ Природа, 1995, 2

5. Бисноватый-Коган Г.С. Порядок и беспорядок в астрофизике. Природа,

6. 1996, 6

7. Варшалович Д.А., Потехин А.Ю. Спектроскопия квазаров и космология/Природа, 1995, 4

8. Гордеев В.А., Кутень С.А. Круглый ли атом водорода?/ Природа,1990,3

9. Горелик Г.Е. О сохранности законов сохранения/ Природа, 1992, 7

10. Далькаров О.Д., Воронин А.Ю. Исследование антиматерии - реальность и перспективы. Природа, 1994, 12

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