8 билет

Характеристики фундаментальных взаимодействий. Вид взаимодействия Относительная энергия взаимодействия Радиус действия Переносчики взаимодействия 1. Сильное 1 10-15 м Глюоны 2. Электромагнитное 10-2 ? Фотоны 3. Слабое 10-5 10-18 м Вионы 4. Гравитационное 10-39 ? Гравитоны Одна из важнейших задач современной фундаментальной физики – создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий, единой теории поля. Первая попытка создания такой теории была предпринята Теодором Колуци. Он написал письмо Эйнштейну о том, что можно в его расчетах представить не четырехмерное, а пятимерное пространство и таким образом объединить тяготение и электромагнитное взаимодействие. Сильное и слабое взаимодействие в то время еще не были известны. Но он не смог представить точных расчетов, поэтому Эйнштейн отнесся с его письму скептически. В 1970-е гг. появилась Теория Великого Объединения (ТВО), или Теория Супергравитации. В конце 60-х гг. Людвиг Бартини, советский авиаконструктор сказал, что все фундаментальные взаимодействия можно объединить при наличии шестимерного измерения. В начале 80-х гг. предложили 11 измерений, а после фундаментальные разработки включали 26 измерений. Четыре основных измерения – Эйнштейна, остальные были названы квантовыми измерениями. Попытки эти обусловлены тем, что в трех измерениях объединить все фундаментальные взаимодействия невозможно. В конце 80-х гг. российские ученые разработали теорию объединения электромагнитного и слабого взаимодействия. Электрослабое взаимодействие (электромагнитное + слабое) наблюдается в ускорителях при E=100 ГэВ и Т=1012К. Электрослабое взаимодействие проявляется при взаимодействии протонов в ускорителе при данных энергиях. В природе такие энергии возможны при сверхплотных состояниях вещества (чёрные дыры и взрывные расширения при взрывах ядер галактик). Теоретики предсказывают, что объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий будет наблюдаться при энергии Е=1015 эВ, а объединение электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного при Е=1019 эВ. Таких энергий пока не было зафиксировано нигде во Вселенной. [1 Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Культура и спорт, 2003.-445с.] В момент Большого Взрыва во вселенной было одно фундаментальное взаимодействие, а четыре появилось при расширении и охлаждении вселенной. Суперсила - объединение всех четырех взаимодействий. Овладев суперсилой, мы сможем менять структуру пространства и времени. Идёт речь о перемещении в пространстве на расстояния, сравнимые с расстояниями между галактиками. Эйнштейн сказал, что два тела взаимодействуют друг с другом по принципу близкодействия (через частицы). В теории относительности представления о мгновенном взаимодействии не соответствуют действительности. Никакое действие, никакая информация, никакие передвижения тел в пространстве не могут происходить со скоростью, превышающей скорость света (концепция близкодействия). Взаимодействия передаются посредством физических полей и с конечной скоростью. Квантовая теорию дополнила концепцию близкодействия тем, что она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами (переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля). А. Эйнштейн почти 30 лет искал возможности для объединения гравитации и электромагнетизма, но потерпел неудачу. Гравитон — квант гравитационного поля — до сих пор является гипотетической частицей. Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант. Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша Gm= 6,7-10"" н- м2/кг2. Слабое взаимодействие — универсальной постоянной Gw = 1,4-10~62Дж • м3. Электромагнитное и сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое — ge = 1/137 — так называемая «постоянная тонкой структуры»; второе — g = 8-10"2. Электромагнитное взаимодействие объясняется обменом виртуальными фотонами (Из неопределенности Гейзенберга следует, что за небольшое время электрон за счет своей внутренней энергии может выпустить квант, и возместить потерю энергии захватом такого же. Испущенный квант поглощается другим, таким образом обеспечивая взаимодействие.), сильное – обменом глюонами (спин 1, масса 0, переносят "цветовой" кварковый заряд), слабое – векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие не объясняется, но кванты гравитационного поля теоретически должны иметь массу 0, спин 2. Сильные и слабые взаимодействия могут быть проиллюстрированы их макроскопическими проявлениями. Первое обусловлено сильными взаимодействиями, последнее — слабыми взаимодействиями. Более того, анализ 3-радиоактивности заставил физиков признать существование особого типа взаимодействия — слабого. С точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неразличимы, и для них используется единый термин «нуклон», т.е. частица ядра. С концепциями взаимодействия в физике тесно связана концепция физического вакуума. Вакуум — это вовсе не «абсолютное ничто», а реальная физическая система, например электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно квантовой теории поля, из вакуумного состояния можно получить все другие состояния поля. Под вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни энергии, ни частиц, ни полей. Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения, например особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся, но отчетливо проявляющиеся в физическом эксперименте. Эти проявления можно считать «вакуумными корнями физических полей».

9 Билет

Многообразие и единство элементарных частиц

Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10^-12 - 10^-13 см). Минимальное время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10^-26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми – даже тяжелее отдельных атомов [ 84 ]. Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия – сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным. Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 10¹⁰ - 10¹¹ раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10^-15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 10² - 10³ раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого намного порядков ниже слабого взаимодействия. Даже слабое взаимодействие намного порядков превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 10⁴²раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 10^-32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается «просматривать» расстояния, близкие к 10^-16 см. Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобразными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитационное – гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой, возможно бесконечный радиус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, остальные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание одноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие переносят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно легким частицам – лептонам (электронам, позитронам и т.п.). В настоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их считают «самыми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы – адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц – это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом, хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами – зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантово-физическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк». Таким образом, список адронов – тяжелых частиц, характеризующихся сильным взаимодействием – состоит из трех частицам: кварка, антикварна и связывающего ихглюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц – лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.), – которым соответствует слабое взаимодействие. Известен также фотон – носитель электромагнитного взаимодействия. Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. Особенно важно превращение «пары» – частицы и античастицы – в частицы другого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля – фотоны и обратный процесс «порождения» электрона и позитрона из фотонов, обладающих достаточно большой энергией. В 1871 году Д.И. Менделеев дал классическую формулировку своего периодического закона. Свойства элементов, образуемых ими простых и сложных тел, состоят в периодической зависимости от их атомного веса. Изучение радиоактивных элементов дало возможность найти ответ: что же является основой периодического закона. После того как было доказано, что заряд атома численно равен порядковому номеру, соответствующего элемента в периодической системе, закон Менделеева получил физическое обоснование, т.к. химические свойства элемента находятся в зависимости от заряда ядер их атома. Ядро атомов состоит из положительно заряженных протонов, и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов атомов равно числу протонов в ядре. Это и есть атомный номер химического элемента, его порядковый номер в периодической системе Менделеева. Вместе с тем, следует отметить, что значение атомной массы нисколько не уменьшилось, а возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в наст, время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии. Сходство элементов определяется одинаковым строением наружного слоя электронной оболочки атома. Масса атома сосредоточена в ядре. Движущейся вокруг атомного ядра электрон порождает магнитное поле. Магнитное поле различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома. Периодический закон Менделеева воплотил в себе многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в иерархии природных систем. Вывод из этого закона один: Все химические и физические свойства вещества определяются строением атома. Таким образом, периодический закон Д.И.Менделеева является всеобщим законом природы. Все свойства вещества полностью определяется строением атомов: - радиоактивность зависит от природы и строения атомного ядра; - оптические свойства элементов – от строения электронной оболочки атома, совокупности всех его элементов.