Учебно-метод пособие КСЕ стац гум
.pdfзация. Реальный окружающий нас мир полон материальных объектов (физи-
ческий вакуум – одна из форм существования материи). А. Эйнштейн показал,
что линейные характеристики пространства определяются гравитационным полем, а также зависят от движения объекта, то есть выявил относительность пространства.
Неевклидовы геометрии
Карл Фридрих Гаусс (1777—1855), выдающийся немецкий математик и астроном, получил результаты в 1818 г., но от их публикации воздер-
жался.
Янош Больяй (1802—1860), венгерский математик, опубликовал свои результаты в 1832 г., но известности не добился
Николай Иванович Лобачевский (1792—1856), известный русский математик, опубликовал свои результаты в 1829—1830 гг. в труде "О
началах геометрии".
Георг Фридрих Бернхард Риман (1826—1866), немецкий математик,
ученик Гаусса, прочел доклад в 1854 г., опубликовал его в 1867 г.
Для понимания сути неевклидовых геометрий удобно представить наше трехмерное пространство в виде двухмерной пленки разной степени кривизны
Рис. 18. Сопоставление евклидовой и неевклидовых геометрий (по Ли-
повко П.О., 2005)
61
Пространство.
Классические и современные представления
Классические |
Современные |
||
1. |
абсолютное |
1. |
относительное |
2. |
однородное |
2. |
неоднородное |
3. |
непрерывное |
3. |
дискретное |
4. |
трехмерное |
4. |
трехмерное (?) |
5. |
двунаправлено |
5. |
двунаправлено |
6. |
евклидово |
6. |
неевклидово |
Общую теорию относительности, споры вокруг которой не утихают по сей день, удалось подтвердить с высокой точностью. В качестве основного
"инструмента исследования" был использован двойной пульсар PSR J07373039 — единственный, известный современной науке. Работа проведена меж-
дународным коллективом учёных под руководством профессора Майкла Кре-
мера (Michael Kramer) из университета Манчестера (University of Manchester)
и основывается на данных, собранных за три года наблюдений.
Учёные исследовали так называемый эффект Шапиро — задержку сигна-
ла при распространении в пространстве-времени, искривлённом гравитацион-
ным полем пульсаров.
Пульсары идеально подходят для проведения такого рода исследований:
их гравитационное поле очень сильное (примерно в 100 тысяч раз больше, чем у Солнца), и они излучают радиоволны с очень строгой периодичностью, по-
этому любые отклонения легко зафиксировать и измерить.
Как показали вычисления, сделанные группой Кремера, общая теория от-
носительности верна, а все возможные отклонения от неё составляют не более
0,05%. То есть можно сказать, что теория соответствует действительности как минимум на 99,95%.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science
62
Рис 19. Гравитационное искривление пространства.
Время – выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления. Оно универсально. И. Ньютон выделял абсолютное и относительное время. Абсо-
лютное, истинное время протекает равномерно и иначе называется длительно-
стью. Относительное время - это кажущееся или обыденное время, то есть по-
стигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, совершаемая при по-
средстве какого-либо движения. Употребляется в обыденной жизни: час, день,
месяц, год… В процессе развития физики с появлением специальной теории относи-
тельности возникло понимание: абсолютное время не имеет физического смысла, оно – лишь идеальное математическое представление. Течение време-
ни зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, то есть возникает ре-
лятивистское замедление времени. Поле тяготения приводит к гравитаци-
онному замедлению времени. Т.о., время течет с различной скоростью в раз-
личных условиях, то есть время всегда относительно.
63
Время.
Классические и современные представления
Классические |
Современные |
||
1. |
абсолютное |
1. |
относительное |
2. |
однородное |
2. |
неоднородное |
3. |
непрерывное |
3. |
дискретное |
4. |
одномерное |
4. |
одномерное (?) |
5. |
однонаправлено |
5. однонаправлено(?) |
Взаимосвязь пространства и времени. Понятие о 4-мерном про-
странственно-временном континууме.
Вместо разобщенных координат пространства и времени теория относи-
тельности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского, немецкого ма-
тематика и физика, впервые предложившего такую трактовку. В этом мире положение каждого события определяется 4 числами: тремя пространствен-
ными координатами движущегося тела X, Y, Z и четвертой координатой – временем t. Четырехмерное «пространство-время» подчиняется соотношени-
ям неевклидовой геометрии. Такая геометрия переменной кривизны была создана еще до открытия теории относительности немецким математиком Бернхардом Риманом (1826-1886) и положена А. Эйнштейном в основу его общей теории относительности.
Т.о., диапазон пространственных размеров и интервалов времени, кото-
рыми оперирует современное естествознание (по порядкам величин):
Расстояния: от 10-35 м(квант пространства) до 1026 м ("размер" Вселен-
ной).
Времени: от 10-44 с (квант времени) до 1017 с ("возраст" Вселенной).
В петлевой теории гравитации главные объекты — маленькие квантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом. За-
коном их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в
64
них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким «внут-
ренним временем»: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на не-
кое «будущее».
Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрацией энергии (то есть далеко от сингулярности) ячейки как бы
«сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» простран-
ство-время.
Движение. В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния физической системы. Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности у мыслителей Китая, Индии, Гре-
ции. Древнегреческие философы (Гераклит, Демокрит, Эпикур) рассматрива-
ли первоначала вещей как находящиеся в постоянном движении и изменении.
Основными характеристиками движения являются его абсолютность и проти-
воречивость. Движение абсолютно, а покой относителен и представляет собой один из моментов движения. Противоречивость движения заключается в не-
разрывном единстве двух противоположных моментов – движения и покоя.
Движение материи многообразно и существует в различных формах.
Выделяют три основные группы форм движения материи: движение в неорга-
нической природе, в живой природе, в обществе. Высшие формы движения материи исторически возникают на основе относительно низких и включают их в себя в преобразованном виде. Однако, высшие формы движения материи качественно отличны от низших и несводимы к ним. Никакое свойство и форма движения не могут существовать сами по себе, они всегда присущи оп-
ределенным материальным образованиям, которые являются их субстратом.
65
Движения в обществе:
•Многообразные проявления деятельности людей
•Все высшие формы отражения и целенаправленного
преобразования действительности
Движения в живой природе - совокупность жизненных
процессов в организмах и в надорганизменных системах:
•Обмен веществ
•Процессы отражения, Саморегуляции, Управления и воспроизводства
•Различные отношения в биоценозах и экосистемах
•Взаимодействие биосферы с природными системами Земли и с
Движенияобществом в неорганической природе:
•пространственные перемещения,
•движения элементарных частиц и полей
•движения и превращения атомов и молекул – химическая форма движения
•геологические формы движения материи
•изменения в структуре макроскопических тел
•изменения космических систем различных размеров
Рис. 20. Иерархия форм движения
Организация материи (сокр. - организация) - упорядоченность матери-
альных объектов и процессов. В отличие от важнейших категорий естество-
знания: материи, движения, пространства и времени, введенных в научный оборот практически с момента возникновения науки о природе (с эпохи ан-
тичности), понятие организация (материи) является сравнительно новым. Оно стало систематически разрабатываться только во второй половине ХХ века.
Понятие организации оказалось таким же важным в естествознании, как кате-
гории материи, движения, пространства и времени, и тесно с ними связанным,
неотделимым от них. А именно: "Материя находится в непрерывном движе-
нии, происходящем в не иначе как в пространстве и времени, при этом мате-
рия непрерывно меняет свою организацию".
Основные формы организации материи - структура и колебание. Струк-
тура - это стабильное неоднородное распределение материи в пространстве.
Колебание - стабильное неоднородное распределение материи во времени. В
естествознании изучают, как правило, периодические или почти периодиче-
ские колебания материи - ритмы.
Для измерения степени упорядоченности материи вводятся количест-
66
венные характеристики организации: неопределенность, энтропия, информа-
ция.
Неопределенность - количество различных (несовпадающих) состоя-
ний, в которых может находиться система. Неопределенность выражается числом таких состояний N. Чем больше N, тем меньше порядок. Энтропия -
количественная характеристика организации системы, связанная с ее неопре-
деленностью формулой Больцмана. Смысл оценки организации по формуле
энтропии: чем больше неопределенность, тем больше энтропия. Энтропия ко-
личественная мера неупорядоченности системы.
Информация - количественная характеристика организации системы,
связанная с ее неопределенностью формулой Хартли. Информация есть мера
дезорганизации (разупорядочивания) системы, равно как и энтропия (их вели-
чины пропорциональны друг другу).
Единица измерения информации - бит (сложносокращенный термин от
английских слов binary digit - двоичная единица).
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ
В настоящее время известно 4 вида основных фундаментальных взаимо-
действий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.
Гравитационное взаимодействие – характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Заключается во взаимном притяже-
нии тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения:
между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропор-
циональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату рас-
стояния между ними. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами, существо-
вание которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.
Данным видом взаимодействий объясняется падение тел в поле тяготения Земли, а также движение планет Солнечной системы и других макрообъектов.
Электромагнитное взаимодействие – связано с электрическим и маг-
67
нитным полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Существуют положительные и отрицательные электрические заряды разной величины. За единицу электри-
ческого заряда условно принят заряд электрона. Одноименно заряженные час-
тицы отталкиваются, разноименно – притягиваются.
Электромагнитными взаимодействиями обусловлены агрегатные со-
стояния вещества. Явления трения, упругие и другие свойства вещества опре-
деляются силами межмолекулярного взаимодействия, которые по природе яв-
ляются электромагнитными.
Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя рав-
на нулю), гравитационное – гипотетические гравитоны (масса покоя также должна быть нулевой). От массы частиц зависит радиус действия сил. Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой,
возможно, бесконечный радиус действия.
Сильное взаимодействие – обеспечивает связь нуклонов в ядре и оп-
ределяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при об-
мене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в ядрах, явля-
ются глюоны. Радиус действия 10-14 см.
Слабое взаимодействие – описывает некоторые виды ядерных процес-
сов. Интенсивность его на 10-11 порядков (в 1010-1011 раз) меньше интенсив-
ности ядерных сил. Радиус его действия менее 10-15 см.
68
Рис.21. Теоретическое объединение фундаментальных взаимодействий.
СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ О МИКРО-, МАКРО- И МЕГА-
МИРАХ
Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на 3 качественно различных области: микро-,
макро - и мегамиры. Есть предложение выделить еще 2 уровня: гипомир
(микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако эти 2 уровня следует считать пока гипотетичными, лишь предсказанными теорией, но еще не ставшими экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными.
Микромир – это мир атомов и элементарных частиц. Атомы характери-
зуются величинами 10-8 см. Специфика микромира отражена в разделах фи-
зики, основанных на квантовой механике, в т.ч. релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность и относительность процессов в микромире,
их структурных, пространственно-временных и энергетических характери-
стик. Сейчас известно около 400 элементарных частиц, отличающихся массой
(тяжелые, промежуточные, легкие), спином, электрическим зарядом (заряд кратен наименьшему заряду, присущему электрону), временем жизни (ста-
бильные, квазистабильные, нестабильные). Некоторые из элементарных час-
тиц живут очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, ус-
69
певая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10–12 – 10 –13 см). Минимальное время, доступное эксперимен-
тальному измерению, характеризуются величиной примерно 10-26с.
Классификация элементарных частиц
Одна из принятых сегодня классификаций основывается на том, в каком из фундаментальных взаимодействий принимают участие те или другие час-
тицы.
Адроны – участвуют в сильном взаимодействии
Лептоны - участвуют в слабом взаимодействии
Частицы-переносчики взаимодействий
Частицы-переносчики взаимодействий
Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия
Глюоны – переносчики сильного взаимодействия
Бозоны - переносчики слабого взаимодействия
Гравитоны – гипотетические переносчики гравитационного взаимодей-
ствия
|
Лептоны |
|
|
|
Электрон |
Нейтрино: |
|
|
Мюон |
1. |
электронные |
|
Таулептон |
2. |
мюонные |
|
|
3. |
тау |
Таким образом, известны 6 разновидностей лептонов, им соответствуют 6
античастиц, всего 12 лептонов.
Адроны
Их сотни. Классифицировать трудно. Для классификации адронов
70