Лекция 2. Движение. Современные представления о пространстве-времени.

Цель: способствовать формированию представлений о движении как основном способе существования материи, о времени и пространстве как основных формах существования материи, ознакомить с принципами пространственно-временного континуума с позиций классической и неклассической физики.

Вопросы для рассмотрения:

1. Материя и ее свойства. Эволюция представлений о материи. Структурные уровни организации материи и фундаментальные взаимодействия.

2. Пространство и время как основные формы существования материи. Развитие представлений о пространстве и времени.

3. Пространство и время в специальной и общей теории относительности.

4. Связь законов сохранения с пространственно-временными преобразованиями.

Основополагающую роль в развитии естествознания играет физика. Это связано с тем, что, во-первых, все области естествознания опираются на общие физические законы природы, а во-вторых, все явления природы имеют внутренние механизмы, познать которые можно только понимая их физическую сущность. Фундаментальными понятиями, отражающими важнейшие свойства физических объектов и специфику физической реальности в целом, являются материя, пространство и время.

2.1. Материя и ее свойства.

Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.

На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ.

Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.

Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.

Основные свойства материи: быть объективной реальностью (объективность), всеобщность, неуничтожимость, неисчерпаемость и т.п.

Способом существования материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.

Основные формы существования материи: пространство и время.

2.2 Эволюция представлений о материи.

(представлена в таблице)

2.3. Структурные уровни организации материи и фундаментальные взаимодействия.

Все известные в настоящее время объекты материального мира в зависимости от их размеров условно относят к микро-, макро- или мегамирам.

Микромир в современном понимании – это мир элементарных частиц – мельчайших известных частиц физической материи, мир атомов, молекул и некоторых надмолекулярных структур типа клетки и т. п. Это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Макромир – мир материальных объектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле. Пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах.

Среди микро- и макроскопических структур есть объекты живой и неживой природы.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов (звезд, галактик и т.д.) – миллионами и миллиардами лет.

Иерархия структур в микромире представляется следующим образом: вещество состоит из молекул и атомов, молекулы – из атомов, атомы – из электронов и ядер, ядра – из нуклонов (нуклон – это общее название протона и нейтрона), нуклоны – из кварков.

Классификация элементарных частиц.

Элементарные частицы (микрочастицы) – основные структурные элементы микромира. К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяется законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон-позитрон (античастицы электрона) рождаются фотоны. Продолжается поиск фундаментальных частиц (истинно элементарных частиц), названных кварками. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). Все адроны (барионы и мезоны) являются комбинациями кварков. В свободном состоянии кварки не наблюдались.

Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др. Спин (англ. spin - вращение) – это собственный момент импульса микрочастицы (представляет собой вращающийся волчок), имеющий квантовую природу; квантовая величина, отражающая вращение электрона вокруг своей оси (обозначается буквой s и может иметь два значения: +1/2 или -1/2). Известные микрочастицы подразделяют на четыре класса:

• Фотоны (кванты электромагнитного поля), движутся со скоростью света (около 300 тыс. км/c), имеют нулевую массу и спин, равный 1, являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Фотоны не имеют античастиц.

• Лептоны – легкие элементарные частицы (электроны с отрицательным зарядом, нейтрино с нулевым зарядом) со спином 1/2, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии.

• Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы с массой от одной до тысячи масс электрона. Они распадаются с образованием π-мезонов и лептонов или только лептонов. Мезоны являются переносчиками ядерных сил.

• Барионы – самая обширная группа микрочастиц с массой более тысячи масс электрона. За исключением протона, все барионы нестабильны. Барионы характеризуются барионным зарядом, образуются комбинациями трех кварков. Барионы – это такие адроны, которые в реакциях между элементарными частицами могут превращаться в протоны или получаться из них.

Барионы и мезоны составляют адроны – частицы, обладающие сильным взаимодействием.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (электрон, t >5•10…лет; протон, t >5•10…лет; фотон и нейтрино); квазистабильные (нейтрон, t=15,3 мин), распадающиеся при слабом и электромагнитном взаимодействиях; резонансы (неустойчивые, короткоживущие частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия.

Исследования участия элементарных частиц в разных типах фундаментальных взаимодействий позволили сделать два общих и важных вывода:

1) все взаимодействия представляют собой процессы зарождения и гибели микрочастиц;

2) все процессы зарождения и гибели частиц происходят не в пространстве и во времени, а мгновенно и локализованы в определенной точке.

Каждая частица обладает массой покоя, диапазон значений которой весьма широк: от 0 (фотон и нейтрино) до 3000 масс электрона. В зависимости от массы элементарные частицы делятся на легкие (лептоны), средние (мезоны), тяжелые (барионы).

Одной из важнейших характеристик является собственный момент импульса элементарной частицы, которая представляет собой вращающийся волчок. Это величина называется спином; квантовая величина, отражающая вращение электрона вокруг своей оси (обозначается буквой s). Выделяют частицы с полуцелым или целым спином (например, у мезонов s=0, у электрона, протона и нейтрона s=1/2, у фотона s=1).

Каждая частица характеризуется величиной электрического заряда, который может принимать лишь целочисленные значения.

Кроме обычных частиц, известны античастицы, которые имеют такие же массу, время жизни и значение спина, но отличаются знаком заряда (электрон-позитрон, протон-антипротон). Причем общей особенностью частиц и античастиц является способность к их аннигиляции при столкновении, то есть к превращению в другие частицы с сохранением общей энергии, импульса, электрического заряда и некоторых других характеристик. Например, образование двух фотонов при взаимодействии электрона и позитрона.

Скорость элементарных частиц (порядка 10…. см/с) сравнима со скоростью света: так, фотон, нейтрино, гравитон двигаются в точности со скоростью света.

Этапы развития атомистической концепции

(Таблица).

Фундаментальные взаимодействия.

Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно имеет универсальный характер и выступает в виде притяжения. Оно является самым слабым из всех остальных взаимодействий (сила отталкивания электронов в 1040 раз больше силы их гравитационного притяжения). Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик. В классической физике оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. В общей теории относительности гравитация – проявление кривизны пространственно-временного континуума (поле тяготения создает искривление пространства тем больше, чем больше тяготеющая масса) (слайд). В квантовой теории квантами поля тяготения являются гравитоны, которые переносят энергию, обладают импульсом и другими характеристиками. На ультрамалых расстояниях (~10…. см) и при ультрабольших энергиях гравитация приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен. Особенности гравитации проявляются в относительно малой интенсивности, а также в ее дальнодействии: то есть, несмотря на убывание с расстоянием, гравитационное взаимодействие наблюдается на очень больших расстояниях от источника.

Электромагнитное взаимодействие тоже имеет универсальный характер, может выступать в зависимости от знака электрически заряженной частицы либо как притяжение, либо как отталкивание и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении этих зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается в обобщенном виде электромагнитной теорией Максвелла, основанной на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. Оно определяет возникновение атомов, молекул и макроскопических тел, благодаря этому виду взаимодействия происходят химические реакции. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. Переносчиками (носителями) электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн. Этот вид взаимодействия описывается электростатикой, электродинамикой, квантовой электродинамикой.

Слабое взаимодействие действует только в микромире и описывает некоторые виды ядерных процессов. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно короткодействующее и отвечает за возможность преобразования одних элементарных частиц в другие, обеспечивает всю асимметрию, которая присутствует в мире. Слабое взаимодействие слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов (протонов, нейтронов) в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность ядра. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц. Все ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Протон – ядро атома водорода, имеющее положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.

В совокупности эти четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространяться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физики пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия – суперсилы.

При энергиях больше 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Температура, соответствующая такой энергии, равна температуре Вселенной через 10….с после Большого взрыва. Теория электрослабого взаимодействия, объединяющего электромагнитное и слабое взаимодействия, была создана в 1967-1968 годах двумя независимо работавшими физиками-теоретиками – американцем С. Вайнбергом и пакистанцем А. Саламом. Эта теория, называемая теорией Вайнберга-Салама, в 1983 г. получила экспериментальное подтверждение.

В 1973-1974 годах А. Салам выдвинул гипотезу о Великом объединении, включающем сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия, которое может иметь место при энергиях больше 10 ГэВ и на расстояниях 10־... …. см. В этом случае кварки и лептоны становятся неразличимыми, поскольку сильное и слабое взаимодействия при этих условиях протекают совершенно одинаково, что следует из их общей природы.

Предполагается, что при энергиях больше 10… ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий. Модели, в рамках которых объединяются сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия, носят название моделей супергравитации. Это предположение имеет чисто теоретический характер, поскольку в настоящее время экспериментальным путем его проверить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как экспериментальный материал, накопленный Вселенной.