Тема 4. Современные концепции физики и космологии

План

1. Структурные уровни организации материи. Структура микромира.

2. Физическая картина мира.

3. Проблемы пространства-времени. Теория относительности.

4. Принципы современной физики.

5. Физическое взаимодействие.

6. Динамические и статистические законы.

7. Развитие научной космологии.

8. Эволюция Вселенной.

9. Структурные уровни организации материи

Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни:

• микромир (элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы),

• макромир (комплексы молекул; микрофизические комплексы: кристаллы, коллоидные системы; клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера)

• мегамир (планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика).

На основании этих представлений выделяют:

1. Геоцентрический мир - реальный мир на уровне макромира. Явления геоцентрического мира описываются евклидовым пространством, ньютоновым (абсолютным, одномерным) временем и лейбницевым качеством, где целое всегда больше части.

2. Негеоцентрический мир - микромир и мегамир, описываемые неевклидовым пространством (геометрии Лобачевского-Римана), неньютоновым временем, нелейбницевым качеством (теория относительности, квантовая механика).

Структура микромира. В настоящее время в микромире выделяется четыре уровня вещества:

1 - молекулярный;

2 - атомный;

3 - нуклонный (уровень атомного ядра);

4 - кварковый.

Уже обсуждается возможный облик пятого уровня вещества - суперструнного. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют другие свойства соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и проявлениях. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению, т. е. меньше 10^-15 см.

Исходя из значения спина (внутренней степени свободы движения частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы:

• частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 ...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Поля бозонов переходят в классические поля. Так, одна из бозонных частиц, - фотон может стать классическим электромагнитным полем, излучающим свет, радиоволны. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей.

• частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2 ...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. Этот закон квантовой механики получил название запрета Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными и легко переходят в частицы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.

Класс лептонов включает 6 частиц и 6 античастиц:

• электрон,

• мюон,

• тау-лептон,

• три вида нейтрино.

Лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов и в сильных взаимодействиях.

Класс кварков также содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, обозначающих их названия:

u - up - верх,

d - down - низ,

s - strange - странность,

c - charmed - очарование,

b - beauty - красота,

t - truth - истина.

Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа. Кварки - электрически заряженные частицы, но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком.

Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Адроны подразделяются на 3 группы:

3. Барионы - образуются комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон как фундаментальную основу атомных ядер.

4. Мезоны - частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка.

5. Антивещество - содержит частицы, образуемые сочетанием трех антикварков. В это группе находятся антипротон и антинейтрон.

Большую часть комбинаций кварков составляют резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.