Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

ные микрочастицы подразделяют на четыре класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы. В основу современной классификации элементарных частиц положены их основные свойства: масса покоя, электрический заряд, спин и время жизни, а также лептонный и барионный заряды.

1.Фотоны (кванты электромагнитного поля) движутся со скоростью света, не имеют массы покоя, участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Фотоны не имеют античастиц.

2.Лептоны получили свое название от греческого слова «лептос» – легкий. К их числу относят частицы, не обладающие сильным взаимодействием: мюоны, электроны, нейтрино. Лептоны имеют спин, обладают слабым взаимодействием, электромагнитным взаимодействием.

3.Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные

частицы с массой от одной до тысячи масс электрона. Они распадаются с образованием π-мезонов и лептонов или только лептонов.

4.Барионы – самая обширная группа микрочастиц с массой более тысячи масс электрона. За исключением протона, все барионы нестабильны. Барионы характеризуются барионным зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные.

Частицы и античастицы. В 1928 г. П. Дирак вывел квантовомеханическое уравнение для электрона. На основании предположения о существовании античастиц на ускорителях высоких энергий в 1932 году были получены античастицы электронов – позитроны, а в 1955 году – антипротоны. Позитрон, как и электрон, сам по себе стабилен, но они, встречаясь друг с другом, аннигилируют, порождая два фотона. Энергия покоя электрона и позитрона превращается в энергию движущихся со скоростью света фотонов. Использование встречных пучков электронов и позитронов – один из самых эффективных методов получения новых частиц. Превращение элементарных частиц друг в друга – одно из фундаментальных свойств элементарных частиц.

Теория атома Бора. В 1913 г. Нильс Бор предложил первую квантовую теорию атома водорода на основе планетарной модели атома Резерфорда. В основу своей теории Бор положил три постулата.

21

Первый постулат: атомная система устойчива только в состояниях, образующих некоторый определенный набор. В атоме электроны могут двигаться только по определенным, стационарным, круговым орбитам, на которых они не излучают электромагнитных волн, несмотря на происходящее в них движение электронов с ускорением. В каждом стационарном состоянии атом обладает определенным квантовым значением энергии.

Второй постулат (правило частот): излучение или поглощение энергии атомом происходит в момент скачкообразного перехода атома из одного стационарного состояния в другое. Атомы излучают и поглощают энергию дискретными порциями – квантами, значение которых W = h равно разности энергии тех состояний (стационарных), между которыми происходит данный переход:

h = E1 – E2,

где E1 и E2 – энергия электрона соответственно до и после перехода; – частота излучения. При E1 > E2 происходит излучение кванта; при E1 < E2 – поглощение кванта (переход атома в состояние с большой энергией).

Третий постулат (правило квантования орбит): возможен лишь дискретный набор орбит, по которым электрон может двигаться в стационарном состоянии.

Теория Бора была крупным шагом в развитии физики и создании квантовой механики. Она смогла рассмотреть спектры водорода и водородоподобных систем, вычислить частоты спектральных линий, однако не смогла объяснить их интенсивность и ответить на вопрос: почему совершаются те или иные переходы? В 1925–1927 гг. на смену теории Бора пришла квантовая механика со своим математическим аппаратом.

Уравнение Шредингера (волновое уравнение) – уравнение движения микрочастицы в различных силовых полях, сформулированное в 1926 году. Для стационарных состояний уравнение Шредингера имеет вид:

где i = −1 , V(x, y, z) – потенциальная энергия, m – масса микрочастицы, – сумма вторых производных по про-

22

странственным координатам; h – постоянная Планка, ϕ – волновая функция.

Переход атома из одного состояния в другое означает переход между этими состояниями электрона, описываемого волновой функцией. Волновая функция имеет вероятностный характер, что отличает микрообъекты от макрообъектов, а физика микрообъектов является принципиально статистической теорией. Вероятность лежит в основе квантовой физики. Зная волновую функцию, можно определить вероятность появления частицы в любом месте и в любое время.

При движении вокруг ядра электроны располагаются в соответствии с квантовомеханическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Принцип Паули – фундаментальный квантовомеханический принцип, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии. Принцип Паули дал объяснение закономерностям, которым подчиняется заполнение электронных оболочек атомов. Принцип Паули дает объяснение периодической системы Д.И. Менделеева.

В квантовой механике невозможно одновременно характеризовать объект микромира его координатами: положением в пространстве и импульсом. Оказывается, чем больше определенность импульса частицы, тем меньше определенность ее положения (координаты) и наоборот. Оба они могут быть известны с некоторой неточностью. Это выража-

ется математическим уравнением ρ q ≥ 2hπ , которое на-

зывается соотношением неопределенностей В. Гейзенберга (1927 г.), где р – неопределенность импульса; q – неопределенность координаты; h – постоянная Планка. Из соотношения следует, что чем более определенно значение одной из входящих в неравенство величин, тем менее определенно значение другой.

Принцип неопределенности явился важным шагом в интерпретации закономерностей микромира и построении квантовой механики. Он указывает, в какой мере можно пользоваться понятиями классической механики применительно к микрочастицам. Соотношение неопределенностей является следствием двойственности частиц микромира – наличием у них корпускулярных и волновых свойств.

23

2.4. Концепции пространства и времени

Вопросы пространства и времени всегда интересовали человека. В истории философии сложились две концепции пространства и времени: субстанциональная и реляционная.

Субстанциональная концепция, идеи которой содержатся во взглядах Демокрита, была доработана Исааком Ньютоном. Согласно этой концепции пространство – это бесконечное вместилище, чистая протяженность, а время – непрерывная, чистая длительность. Пространство и время есть объективные формы, существующие наряду с материей. По Ньютону, мир состоит из материи, пространства и времени. Пространство может быть заполнено материей, но может существовать без нее. Время «течет» как бы само по себе, вне связи с материальными процессами. Ньютон признавал абсолютное пространство и абсолютное время.

Реляционная концепция, основы которой заложил Аристотель, была сформулирована Г. Лейбницем, который рассматривал пространство и время не как особые субстанциональные сущности, а как формы существования материи. Пространство, по мнению Лейбница, характеризует порядок расположения тел, а время – последовательность изменения их состояния. Согласно данной концепции, пространство, время и материя взаимосвязаны друг с другом и являются объективными формами бытия движущейся материи.

Пространство – это философская категория, которая характеризует протяженность и взаимное расположение материальных объектов, существование и взаимодействие составляющих их элементов.

Время – это философская категория, которая выражает длительность существования любых объектов, последовательность смены их качественного состояния.

Важнейшим свойством пространства и времени является их абсолютность и относительность.

Абсолютность состоит в том, что они являются всеобщими и необходимыми формами существования материи.

Относительность пространства и времени выражается в том, что пространственные структуры и ритм времени определяется состоянием движущейся материи, взаимодействием материальных тел, гравитационных процессов, полей и т. д. Конкретные свойства пространства и времени зависят от особенностей материальных объектов, их движения и вза-

24

имодействия. Пространство и время есть единство конечного и бесконечного. Конечность пространства выражается в прерывности движения, дифференцированности материальных систем. Бесконечность пространства проявляется абсолютным характером движущейся материи.

По теории относительности А. Эйнштейна пространство и время находятся в неразрывной связи с движущейся материей. Специальная теория относительности (СТО) создана А. Эйнштейном в 1905 году. В 1915 году Эйнштейном были созданы основы общей теории относительности (ОТО). Появление теории относительности было связано с развитием электродинамики. После того, как Максвеллом во второй половине XIX в. были сформулированы основные законы электродинамики, встал вопрос о применимости механического принципа относительности к электромагнитным и оптическим явлениям.

В начале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив не только в механике, но также в оптике и электродинамике. Все системы отсчета равнозначны. Законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. В любых инерциальных системах отсчета все физические явления (механические, оптические, тепловые и т. д.) при одинаковых условиях протекают одинаково: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

При обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света (300000 км/с). Скорость света не зависит от движения источника света или наблюдателя. Скорость света выступает как мировая константа. Скорость света – это самая большая скорость в нашей Вселенной. А. Эйнштейн в 1905 году показал, что закон постоянства скорости света и принцип относительности совместимы, что явилось основой специальной теории относительности, которая базируется на двух принципах.

Согласно первому: при одних и тех же условиях все физические явления в любой инерциальной системе отсчета происходят совершенно одинаково. Никакими физическими опытами (механическими и электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система или покоится. При этом пространство и время взаимосвязаны, зависят друг от друга. Математические выраже-

25

ния законов физики не должны изменяться при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Второй постулат называют принципом постоянства скорости света в вакууме: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников и приемников света и во всех инерциальных системах отсчета одинакова (300000 км/с).

Эйнштейн показал, что параметры системы изменяются в зависимости от скорости тела. При увеличении скорости тела:

1) замедляется время в соответствии с формулой:

t = t0 1−v2 ; c2

2) сокращается длина отрезка в соответствии с формулой:

l =l0 1−v2 , c2

где l – длина движущегося объекта, l0 – длина объекта в состоянии покоя, v – скорость объекта, с – скорость света;

3) увеличивается масса в соответствии с формулой:

где m – масса движущегося объекта; m0 – масса покоя. Общая энергия тела Е, из каких бы видов энергии она не

состояла, связана с массой тела соотношением Е = mc2 . Масса выступает не как мера инертности (второй закон

Ньютона), а как мера энергосодержания тела. Ядерная физика подтвердила закон взаимосвязи массы и энергии.

Общая теория относительности объясняет теорию тяготения. Главным моментом в создании ОТО явилось предположение Эйнштейна о том, что в присутствии массивных тел должно искривляться не только пространство, а все пространство-время. Массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени.

В СТО свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей. ОТО связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. В ОТО констатируется положение об изменении пространственных и временных характеристик в гравитационных полях. Для ОТО понадобилась новая геометрия Н.И. Лобачевского и Б. Римана.

26

По общей теории относительности массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время. Возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

В 1922 г. А. Фридман на основе решений уравнений ОТО показал, что наша Вселенная не стационарна – она непрерывно расширяется. Американский астроном Э. Хаббл в 1929 году экспериментально установил закон, который определяет скорость разлета галактик в зависимости от расстояния до нашей галактики.

Теория относительности показала единство пространства и времени, их совместное изменение в зависимости от концентрации масс и их движения. В работе А. Эйнштейна, Л. Инфельда «Эволюция физики» читаем: «Влияние теории относительности выходит далеко за пределы тех проблем, из которых она возникла. Она снимает трудности и противоречия теории поля; она формулирует более общие механические законы; она заменяет два закона сохранения одним; она изменяет наше классическое понятие абсолютного времени. Ее ценность не ограничивается лишь сферой физики; она образует общий остов, охватывающий все явления природы»1.

2.5. Законы распространения света

Свет – это электромагнитные волны с частотами, воспринимаемыми человеческим глазом. Уже греческие философы рассматривали вопрос о природе света. Евклид (300 г. до н. э.) сформулировал простейшие законы геометрической оптики. Ньютон объяснял природу света на основе корпускулярных представлений. Так, в 1666 г. он применил корпускулярную теорию для объяснения преломления, отражения

идисперсии света.

В1690 г. Гюйгенс открыл волновую теорию света. М. В. Ломоносов показал, что свет – это поперечные волны эфира. В 1881 г. Майкельсон определил скорость света.

Интерференция, дифракция и поляризация привели к появлению в 1846 г. электромагнитной теории света. В 1865 г. Максвелл обосновал совпадение скорости света и электромагнитных волн (300000 км/с).

1 А. Эйнштейн, Л. Инфельд. Эволюция физики. М., 1965, с. 328.

27

Интерференция – явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами складывающихся двух (или нескольких) волн с одинаковыми периодами. Это явление имеет место для любых волн. Если среда распространения волн однородна, результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний. Явление интерференции применяется при решении различных измерительных задач, как в научных исследованиях, так и в технике. Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри) объясняются интерференцией света. Явление интерференции используется для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

Дифракция – это огибание волнами препятствий, отклонение волновых движений от законов геометрической оптики. Дифракция впервые была объяснена Юнгом (1800 г.). Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшое отверстие в экранах.

В 1690 г. Гюйгенс сформулировал принцип, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, является центром вторичных сферических волн. Путем вторичных и происходит распространение основной волны. Но Гюйгенс лишь решил задачу о направлении распространения волнового фронта, но не рассматривал вопрос об интенсивности волн (об их амплитуде). Френель дополнил этот принцип идеей об интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка фронта волны является источником вторичных когерентных волн. Принцип Гюйгенса-Френеля – основной принцип волновой оптики и позволяет решать вопрос о дифракции света, играющей важную роль в прикладной оптике.

Явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины волны в вакууме), называют дисперсией света. В более широком аспекте – это разложение света в спектр, происходящее при преломлении, дифракции или интерференции света.

Дисперсию можно объяснить с точки зрения электромагнитной теории. Так как скорость света в вакууме не зависит от частоты, а дисперсия наблюдается только в веществе, то

28

она связана со строением вещества. Атомы и молекулы сами могут стать источником электромагнитных колебаний.

Следствием дисперсии является разложение света при прохождении его через призму (получение спектра). Впервые подробно исследовал дисперсию света Ньютон. Важен вывод Ньютона о том, что лучи разного цвета преломляются по-разному.

На явлении дисперсии основано действие призменных спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. Спектральный анализ дает возможность определить качественный и количественный состав вещества на основе изучения его структуры. Так, например, молекулярный спектральный анализ позволяет определить состав сложных смесей по их молекулярным спектрам. Спектральный анализ широко используется в медицине.

Раздел физики, изучающий интенсивность света и его источник, называют фотометрией. Под фотометрией в узком смысле слова понимают световые измерения, т. е. оценку видимого излучения и его действие на глаз. Под фотометрией в широком смысле понимают измерение характеристик процессов испускания, распространения, поглощения и рассеяния излучения в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением.

Для исследования процессов излучения и распространения света используются световые величины как характеристики процессов излучения и распространения света, определяемые по действию лучистой энергии на глаз, который воспринимает человеческий глаз, т.е. с длиной волн 380–780 нм. Этот диапазон называется видимым спектром. В зависимости от длины волны человек имеет ощущение различного цвета. Зрение среднего человека различает более ста цветовых тонов. В зависимости от яркости диаметр человеческого глаза может изменяться от 2 до 8 мм. Исследования показали, что любое цветовое ощущение может быть создано из трех базовых цветов: красного, зеленого и голубого, потому что они взаимно независимы.

Свет, излучаемый каким-либо источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Свет обладает двойственной корпускулярно-вол- новой природой. Волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, интерференции,

29

дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом.

Квантовые и волновые свойства света взаимно дополняют друг друга и отражают взаимосвязанные закономерности распространения света и его взаимодействие с веществом1.

2.6. Начала термодинамики

Термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, на основе законов превращения и сохранения энергии. Под термодинамической системой имеется в виду любое конечных размеров макротело или совокупность макротел. В термодинамике изучаются тепловые процессы, связанные с изменением температуры тела.

Термин «термодинамика» предложен в 1854 г. В. Томсоном. Основы термодинамики заложили в своих работах Майер, Кельвин, Клаузиус, Джоуль, Гельмгольц.

В 1843 году Майером был сформулирован первый закон (первое начало) термодинамики как закон сохранения энергии для термодинамической системы, согласно которому работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Первый закон (начало) термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам.

Первое начало термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, сообщаемое системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Q = U + A,

где Q – количество теплоты, получаемой системой, U – изменение внутренней энергии, А – совершенная работа. Из первого начала термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затраты энергии извне. Тепловой двигатель не может совершать работу большую, чем сообщенная ему извне энергия.

Второе начало термодинамики определяет направленность реальных тепловых процессов, протекающих с конеч-

1 См. Аксенович Л. А., Ракина Н. Н. Физика. Мн., 2000.

30