Тема 5: Развитие представлений о взаимодействии

В физики было две концепции относительно скорости передачи взаимодействия: 1) близкодействия и 2) дальнодействия.

Согласно теории Аристотеля, Вселенная плотно заполнена материей. По этой причине между любыми двумя телами обязательно найдется цепочка прилегающих друг к другу тел-посредников, по которой, как по эстафете, и передается воздействие одного тела на другое. Это – первоначальная форма концепции близкодействия. Концепция дальнодействия предполагает передачу взаимодействий через пустоту, существования которой Аристотель не признавал.

Взаимодействие у Аристотеля не симметрично: в нем есть активная сторона, которая действует на пассивную, и пассивная (движимая) сторона, которая не оказывает никакого сопротивления.

Из всех научных картин мира концепция дальнодействия была присуща только механической. Все более поздние научные картины опираются на концепцию близкодействия. В первоначальном виде концепция близкодействия описана Аристотелем, который учил, что воздействие передается либо при непосредственном соприкосновении взаимодействующих тел, либо по цепочке расположенных между ними тел-посредников. Но Аристотель, в отличие от представителей любой научной картины мира, считал взаимодействующие тела неравноправными, выделяя среди них движущее (активное) и движимое (пассивное).

Современные представления о взаимодействии опираются на концепцию близкодействия, согласно которой взаимодействия передаются через материального посредника – то или иное физическое поле. При этом скорость передачи взаимодействия не может превышать скорость света. Поэтому если что-то случится с Солнцем, мы сможем это заметить лишь спустя время, необходимое свету, чтобы добраться от Солнца до Земли = 8 минут.

На космических же расстояниях из всех фундаментальных взаимодействий эффективно только гравитационное, которое и обеспечивает стабильность Солнечной системы.

Чтобы объект можно было увидеть, он должен поглощать, отражать, рассеивать или еще каким-то образом изменять падающие на него электромагнитные волны. Но это возможно только при условии, что объект способен принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

5. Сегодня различают 4 типа фундаментальных взаимодействий:

1. Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространя­ется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах. Гравитационное взаимод присуще всем без исключ частицам и полям.

2. Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения. Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон. В процессе ЭМ взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии. Квант эм поля – фотон. Молекулы стабильны благодаря электромагнитным взаимодействиям между входящими в их состав атомами. Силы электромагнитного происхождения обеспечивают взаимодействие между молекулами, которое стабилизирует макроскопические тела,  например столы и стулья. Однако те же силы электромагнитного происхождения стремятся разрушить атомное ядро, поскольку входящие в его состав протоны заряжены одноименно и отталкиваются друг от друга.

3. Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около 10^-13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, стабильными, их трудно разру­шить. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии образуют особый класс и называются адронами. Адроны участвуют в сильном, слабом и ЭМ взаимодействии. Без сильных взаимодействий не сущ атомные ядра, а звезды и Солнце не могли ьы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

4. Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10^-15 см), в котором участвуют все эле­ментарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтри­но с веществом. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15-10^-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с соврем уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвертого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.

Свойства В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях). Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга.

Слабый распад. Процесс распада более массивной частицы на более легкие вследствие слабого взаимодействия называется слабым распадом. Типичным примером является бета-распад нейтрона.

Соотношение констант As:aE:aw:aG=1:1/137:10^-15:10^-39. Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Тесты по теме 5: Развитие представлений о взаимодействии

5.1. Представления Аристотеля о взаимодействии основывались на …

1. концепции дальнодействия б) законе равенства действия и противодействия в) квантово-полевом механизме передачи взаимодействий г) концепции близкодействия

5.2. И для Аристотеля, и для современной научной картины мира характерно(-а) …

1. описание механизма передачи взаимодействий в рамках концепции дальнодействия

2. описание механизма передачи взаимодействий  в рамках концепции близкодействия 

3. идея о неравноправности взаимодействующих тел, среди которых всегда можно выделить активное (движущее) и пассивное (движимое)

4. идея о равноправности взаимодействующих тел (действие равно противодействию)

5.3. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность … а)  атомных ядер Б) атомов в)  Солнечной системы г)  Галактики

5.4. Сильное взаимодействие обеспечивает стабильность … а) атомных ядер; б)  Молекул; в)  Солнечной системы; г)  Мебели

5.5. В настоящее время считается, что 25–30% всей материи во Вселенной составляет так называемая «темная материя». Мы не можем непосредственно видеть ее ни в какие телескопы, поскольку частицы «темной материи» не принимают участие в ____________ взаимодействии. А) гравитационном Б)  электромагнитном В) сильном (ядерном) Г) слабом

5.6. Снимается фантастический боевик, по сценарию которого враждебно настроенные пришельцы выкрадывают наше Солнце. Учитывая, что расстояние от Земли до Солнца составляет около 8 световых минут, для согласования фильма с современными представлениями о взаимодействии следует показать, что, после того как пришельцы туннелируют Солнце в свою систему, наша Земля …

1. еще 8 минут будет оставаться освещенной, но сразу перестанет притягиваться к Солнцу и полетит по прямолинейной траектории

2. еще 8 минут будет оставаться освещенной и испытывать силу тяготения Солнца, заставляющую ее двигаться по эллиптической орбите

3. сразу погрузится во тьму, но еще 8 минут будет испытывать силу тяготения Солнца, заставляющую ее двигаться по эллиптической орбите

4. будет продолжать оставаться освещенной и двигаться по своей обычной орбите неограниченно долгое время

5.7. В число фундаментальных взаимодействий не входит … а) ковалентное б)  гравитационное в)  электромагнитное г)  сильное

5.8. Между объектами макромира преобладает __________ взаимодействие. а) электромагнитное б)  гравитационное в)  сильное г)  слабое

5.9. Понятие взаимодействия как взаимного, симметричного, равного действия друг на друга тел, участвующих во взаимодействии, возникает при переходе от …

1. натурфилософских картин мира к первой научной картине мира – механической

2. механической научной картины мира к электромагнитной

3. неклассической научной картины мира к современной эволюционной

4. электромагнитной научной картины мира к неклассической

5.10. Между объектами мегамира преобладает __________ взаимодействие.

А) Электромагнитное  Б) гравитационное  В) сильное Г) слабое

Тема 6. Развитие научных исследовательских программ и картин мира Атомистическая исследовательская программа Левкиппа – Демокрита была основана на идеях о том, что весь материальный мир состоит из дискретных неделимых атомов, и все в мире сводится к перемещению атомов в пустоте.

Континуальная исследовательская программа Аристотеля была основана на идеях о том, что материя непрерывна

Согласно программе рационального объяснения мира, появившейся в Древней Греции, каждое событие имеет естественную причину, и мир познаваем человеческим разумом.

В электромагнитной картине мира по сравнению с механической новыми были представления о существовании второй формы материи – поля – и о механизме передачи взаимодействий через поля.

В квантово-полевой картине мира по сравнению спредыдущими появились представления о корпускулярно-волновом дуализме материальных объектов и фундаментальной роли случайности и статистических закономерностей.

В современной картине мира (вторая половина XX века по настоящее время), по сравнению спредыдущими, появились представления о развитии природных систем по пути самоорганизации и о существовании третьей формы материи – физическом вакууме.

Тест по теме 6. Развитие научных исследовательских программ и картин мира

6.1. Континуальная исследовательская программа Аристотеля была основана на идеях о том, что …2отв а) весь мир состоит из дискретных неделимых атомов

б) пустого пространства не существует, материя заполняет все без пустот

в) материя непрерывна и бесконечно делима

г) все в мире сводится к перемещению атомов в пустоте

6.2. Согласно программе рационального объяснения мира, появившейся в Древней Греции, …а) мир можно познать человеческим разумом б) каждое событие имеет естественную причину в)  события имеют как божественные причины, так и естественные г)  разумом познаваемы только события, происходящие в силу естественных причин

6.3. Атомистическая исследовательская программа Левкиппа – Демокрита была основана на идеях о том, что …а)  все в мире сводится к перемещению атомов в пустоте

б)  материя непрерывна и бесконечно делима в)  весь материальный мир состоит из дискретных неделимых атомов г) пустого пространства не существует, материя заполняет все без пустот

6.4. Среди научных картин мира только в механической картине существовали представления о (об) …а) полной предсказуемости всех событий прошлого и будущего

Б) взаимодействии по принципу дальнодействия в) единственной форме материи – веществе г) существовании мирового эфира

6.5. В электромагнитной картине мира по сравнению с механической новыми были представления о … а) полной предсказуемости всех событий прошлого и будущего Б) механизме передачи взаимодействий через поля в) существовании второй формы материи – поля г)  корпускулярно-волновом дуализме материальных объектов

6.6. В квантово-полевой картине мира по сравнению с предыдущими появились представления о …

А) корпускулярно-волновом дуализме материальных объектов

Б) фундаментальной роли случайности и статистических закономерностей

В) взаимодействии по принципу близкодействия

Г) существовании разных форм движения материи

6.7. В современной картине мира (вторая половина XX века по настоящее время) по сравнению с предыдущими появились представления о (об) … (неск отв)

А) едином пространственно-временном континууме Б) существовании третьей формы материи – физическом вакууме В) квантово-полевом способе передачи взаимодействия

Г)  развитии природных систем по пути самоорганизации

6.8. В соврем. картине мира (вторая половина XX века) по сравнению с предыдущими появились представления о (об) …

1. существовании третьей формы материи – физическом вакууме, играющем важную роль в развитии Вселенной

2. корпускулярно-волновом дуализме свойств материальных объектов

3. неразрывной взаимосвязи материальных объектов и пространственно-временных характеристик

4. универсальности эволюции, присущей всем объектам материального мира и Вселенной в целом

6.9. И в механической, и в электромагнитной картинах мира существовали представления о а) взаимодействии по принципу близкодействия б) случайности как отражении неполноты имеющихся знаний в) единственно возможном развитии событий при заданном начальном состоянии г) единственно возможной форме существования материи

6.10. Представление о принципиальной невозможности скоростей движения, превышающих некоторый предел, свойственно ___________ картине мира

А) механической научной б) электромагнитной научной в) аристотелевой натурфилософской г)  современной научной

6.11. В натурфилософской картине мира Аристотеля, также как и в современной картине мира, были представления о (об) …а) неразрывной связи пространства, времени, материи

Б) неопределенности в развитии систем в) Близкодействии г) изменяющейся во времени Вселенной

6.12. В квантово-полевой картине мира были отвергнуты представления о (об) …

А) существовании единственной формы движения материи – механической

Б) однозначной предсказуемости всех событий прошлого и будущего

В) взаимодействии по принципу дальнодействия

Г) статичности Вселенной

6.13. Окончательный отказ от концепции дальнодействия в пользу близкодействия произошел при переходе от …

1. электромагнитной научной картины мира к неклассической

2. механической научной картины мира к электромагнитной

3. неклассической научной картины мира к современной эволюционной

4. натурфилософских картин мира к первой научной картине мира – механической

6.14. И в механической, и в электромагнитной картинах мира существовали представления о … а) единственно возможном развитии событий при заданном начальном состоянии б) случайности как отражении неполноты имеющихся знаний

В) взаимодействии по принципу близкодействия Г) единственно возможной форме существования материи

1 согласно словарю Ожегова, дискретный – раздельный, состоящий из отдельных частей