- •Лекции по курсу
- •2. Литература, необходимая для изучения курса.
- •3.Цели и задачи дисциплины.
- •4.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
- •5.Структура современного естествознания.
- •6.Методология естествознания.
- •7.История естествознания.
- •1. Пространство и время
- •2. Механическая форма движения материи. Основы классической механики
- •3. Релятивистская концепция механического движения. Представления специальной теории относительности
- •4. Понятие об общей теории относительности. Влияние гравитации на пространство и время
- •5. Масштабы пространства, времени.
- •6. Современные представления о структуре и эволюции Вселенной
- •1. Ритм как упорядочение времени
- •2. Космические и биологические ритмы
- •3. Общая характеристика колебаний
- •4. Виды колебаний
- •5. Общая характеристика волны
- •6. Упругие волны
- •7. Электромагнитные волны
- •8. Волновые явления
- •1. Симметрия
- •2. Законы сохранения
- •3. Фундаментальные взаимодействия
- •4. Развитие представлений о физических полях
- •5. Концепция обменного взаимодействия
- •6. Концепция корпускулярно-волнового дуализма в современной физике
- •7. Основные положения квантовой механики
- •8. Структура микромира
- •1. Термодинамический и статистический методы описания систем
- •2. Общие свойства систем. Системный подход
- •3. Основы равновесной термодинамики (термодинамики изолированных систем)
- •4. Основы неравновесной термодинамики
- •5. Термодинамика сильно неравновесных систем
- •6. Эволюция самоорганизующихся систем
- •Активная
- •7. Синергетика и экономика
- •1. Предмет химии
- •2. Основные понятия и законы классической химии
- •3. Систематизация химических элементов. Периодический закон д.И.Менделеева
- •4. Особенности развития химии на рубеже хiх-хх вв.
- •5. Развитие химического атомизма в первой половине XX в. Квантовый уровень химии
- •6. Концепция химической эволюции
- •1. Экология как наука о взаимоотношении живых систем с неживой природой
- •2.Структура и основные направления развития экологии
- •Экология
- •Фундаментальная
- •3.Биосфера.
- •4.Экосистемы и основы их жизнедеятельности
- •Биотические компоненты экосистемы
- •5.Экологические факторы.
- •6.Глобальные проблемы современности.
- •Загрязнение
- •1. Общая характеристика живых систем
- •2. Молекулярно-генетический уровень организации биологических систем
- •3. Клеточный уровень организации жизни
- •4. Онтогенетический уровень организации биологических систем
- •5. Популяционно-видовой уровень
- •7. Биосферный уровень
- •8. Развитие представлений о биологической эволюции
- •9. Основные этапы эволюции жизни
- •Словарь терминов
- •Литература
5. Концепция обменного взаимодействия
Для описания взаимодействия в макромире концепция непрерывного поля оказалась достаточно плодотворной, однако процессы микромира рассматриваются на основе иной концепции, на первый взгляд возвращающей нас к декартовой теории близкодействия, но на самом деле имеющей с ней очень отдаленное сходство. Предполагается, что частицы – участники взаимодействия вступают в связь путем обмена особыми частицами–переносчиками взаимодействия, причем каждый такой процесс осуществляется своими переносчиками. Частицы-переносчики являются виртуальными, так как их время жизни слишком мало, и вероятность их обнаружения в виртуальном состоянии равна нулю. Однако в определенных условиях виртуальная частица становится реальной, и может быть экспериментально зарегистрирована. Такая модель взаимодействия микрообъектов удовлетворяет практически всем экспериментальным данным и представляется плодотворной для разработки единой теории взаимодействий.
В квантовой электродинамике, основанной на концепции корпускулярно-волнового дуализма, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется путем обмена виртуальными фотонами - квантами электромагнитного поля.
Гравитационное взаимодействие - самое слабое по интенсивности ( в 1038 раз слабее сильного). Для его трактовки как обменного предложены переносчики взаимодействия (кванты поля) – гравитоны. Однако эта модель в настоящее время по сравнению сдругими наименее разработана и существование гравитонов не подтверждено экспериментально. В отличие от квантовых теорий электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия квантовая теория гравитации только начинает создаваться. Очень проблематична и возможность экспериментальной регистрации гравитонов, так как пока не обнаружены даже гравитационные волны.
Теория обменного сильного взаимодействия за короткий период времени претерпела существенные изменения. В 40-х - 50-х годах нашего века для описания сильного взаимодействия нуклонов в ядре применялась мезонная теория, разработанная японским физиком Юкавой. Согласно этой теории нуклоны обмениваются виртуальными π–мезонами (пионами) 3-х видов: π +– мезонами, π 0– мезонами, π – – мезонами, в результате чего происходит взаимопревращение нуклонов.
Эти частицы в отличие от фотонов имеют массу покоя, причем она довольно значительна: ~270 me (me – масса электрона). Так же, как и в случае фотонов, наряду с виртуальными пионами существуют реальные пионы, обнаруженные в составе космических лучей.
Открытие во второй половине ХХ в. большого количества разнообразных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (адронов), наталкивало на мысль о том, что существуют более мелкие их составные части, комбинация которых формирует это разнообразие.
В 1964 г. американские ученые Гелл-Манн (г. р. 1929) и Цвейг (г. р. 1937) выдвинули гипотезу, что все адроны можно получить как комбинации более фундаментальных объектов, названных ими кварками. В настоящее время все многообразие адронов описывается на основе шести кварков (и шести антикварков). Кварки имеют дробные электрические заряды (где- элементарный заряд) и отличаются специфическими квантовыми характеристиками, получившими названия «аромат» и «цвет». Барионы (в частности, нуклоны) составлены тройками кварков, мезоны (в том числе и пионы) – парами. Кварки формируют внутреннюю структуру адронов, но в свободном состоянии не существуют. Они связаны друг с другом сильным взаимодействием посредством обменаглюонами (от англ. «клей»). Взаимодействие кварков чрезвычайно интенсивное, и с увеличением расстояния между ними возрастает, что не позволяет кваркам покидать адроны. Глюонная модель описывает механизм сильного взаимодействия на кварковом уровне и называется квантовой хромодинамикой.
В отличие от адронов, лептоны (электроны, мюоны, нейтрино) в сильном взаимодействии не участвуют и внутренней структуры не имеют. Слабое взаимодействие лептонов и адронов осуществляется с помощью переносчиков, называемых промежуточными бозонами. Эти массивные (тяжелее нуклонов) виртуальные частицы, распространяющиеся со скоростью, меньшей скорости света, были открыты только 20 лет назад.
Ниже приводится сравнительная таблица характеристик фундаментальных взаимодействий, в которой сопоставляется их относительная интенсивность (Li), радиус действия (R), характерное время передачи взаимодействия (Т), указываются участники и переносчики.
Таблица 4.1. Характеристики фундаментальных взаимодействий
Взаимодействие |
Li |
Участники |
R (м) |
T(c) |
Переносчики |
сильное |
1 |
кварки, адроны |
10-15 |
10-23 |
Глюоны |
электромагнитное |
10-2 |
все объекты с электрическим зарядом, фотон |
10-20 |
Фотоны | |
слабое |
10-10 |
все микрообъекты, кроме фотона и гравитона |
10-18 |
10-13 |
Промежуточ-ные бозоны |
гравитационное |
10-38 |
все |
? |
Гравитоны |