Раздел 3. Современное естествознание

Тема 6. Физика и космология

Многообразие и единство физической материи. Критерии ее деления на микро-, макро- и мегамир. Микромир. Основные характеристики элементарных частиц (масса, заряд, спин, время жизни). Частицы и античастицы. Виртуальные частицы. Тождественность частиц. Классификация элементарных частиц (по массе покоя, времени жизни). Проблема нижней границы (эмпирической и теоретической) физической материи. Фундаментальные (истинно элементарные) частицы: кварки, лептоны, кванты полей-переносчиков взаимодействий. Частицы, состоящие из кварков: мезоны и барионы – нуклоны (протон, нейтрон), гипероны. Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Фермионы и бозоны, их отношение к различию вещества и поля в макромире. Корпускулярно-волновой дуализм объектов микромира. Характеристики (скорость, длина, частота) и свойства (дифракция, интерференция, поляризация) волн. Волновые свойства частиц (например, дифракция электронов) и их использование (электронный микроскоп). Волновые и корпускулярные (фотоэффект) свойства света. Квант света (электромагнитного излучения). Волны Де Бройля: идея и формула связи энергии и импульса любой частицы с длиной ее волны. Квантовая механика и квантовая теория поля (КТП). Принцип дополнительности (Н.Бор) на эмпирическом (необходимость использования разных приборов для определения корпускулярных и волновых свойств частиц, принципиальная невозможность их одновременного проявления) и теоретическом (несовместимость и взаимная дополнительность корпускулярного и волнового описаний частиц) уровнях. Измерение в квантовой физике как результат взаимодействия микрообъекта с макроприбором, возмущающего микрообъект, невозможность невозмущающих измерений – основание принципов дополнительности и неопределенности. Физический и общенаучный смыслы принципа дополнительности. Принцип неопределенности (В.Гейзенберг). Постоянная Планка. Соотношение неопределенностей координата-импульс (скорость), энергия-время. Соотношение неопределенностей как результат квантовых флуктуаций. Вероятностный характер законов квантовой физики. Физический вакуум как состояние поля с наименьшей («нулевой») энергией, состоящее из виртуальных частиц. Экспериментальные доказательства сложной структуры вакуума: эффект Казимира, рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле. Макромир. Различия вещества и поля, которые теряются в микромире. Нижняя граница микромира, иерархия его объектов и структурных уровней (от атомов и молекул до общества, от атомов и молекул до астрономических тел – планет и т.п.). Классические описания макромира – механика и теория всемирного тяготения Ньютона, электродинамика Максвелла. Принцип относительности Галилея: физическое равноправие всех инерциальных (покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно) систем отсчета в классической механике. Мегамир. Иерархия его объектов и структурных уровней (от звезд и планетных систем до Вселенной (Метагалактики). Пространственные и временные масштабы Вселенной. Единицы их измерения. Крупномасштабная структура Вселенной. Ее однородность и изотропность на очень больших масштабах (150-200 Мпк). Скопления и сверхскопления галактик. Типы галактик. Млечный путь. Квазары. Звезды. Источники энергии звезд. Гиганты и свехгиганты, пульсары (нейтронные звезды), черные дыры, сверхновые звезды. Планетарные туманности. Состав Солнечной системы. Движение Солнца в Галактике. Созвездия.

Пространство и время. Теория относительности Эйнштейна. Свойства пространства (трехмерность, однородность, изотропность, обратимость, метрика, топология) и времени (одномерность, однородность, необратимость). Субстанциальная (Демокрит, Ньютон) и реляционная (Аристотель, Лейбниц) концепции пространства и времени. Абсолютное и относительное пространство Ньютона. Абсолютное и относительное время Ньютона. Мировой эфир электромагнитной картины мира как гипотетическая всепроникающая среда, механический носитель электромагнитных полей и взаимодействий, абсолютная система отсчета, которую не удалось обнаружить в опыте Майкельсона-Морли, установивших независимость скорости света от системы отсчета. Специальная теория относительности (СТО). Основания СТО: постулаты относительности (неизменности физических законов при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой) и постоянства скорости света. Следствия СТО: относительность одновременности, относительность времени (с ростом скорости движения тела происходит релятивистское замедление времени); относительность пространства (релятивистское сокращение размера тела в направлении движения с ростом скорости); связь пространства и времени в единое четырехмерное пространство-время; инвариантность пространственно-временного интервала между событиями; относительность массы (ее релятивистское увеличение с ростом скорости); эквивалентность массы и энергии (E = mc²). [Рост скорости в одной и той же системе отсчета эквивалентен при этом простому переходу к другой системе отсчета. Релятивистские эффекты становятся ощутимыми, если скорость тела сопоставима со скоростью света. Материальность систем отсчета означает зависимость пространства и времени от движения материи.] Общая теория относительности (ОТО) или общая теория тяготения. Распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета. Неевклидовы геометрии искривленного пространства (Лобачевский, Риман). Основания ОТО: СТО и принцип эквивалентности всех тел и видов материи в отношении тяготения, которое сообщает им одинаковое ускорение, не зависящее от их различий. Следствия ОТО: эквивалентность тяжелой и инертной масс (эквивалентность гравитационного поля и сил инерции); эквивалентность ускоренного движения в поле тяготения равномерному движению по инерции в искривленном пространстве, тяготения – искривлению пространства; искривление пространства и замедление времени массой; нестационарность Вселенной. Гравитационный коллапс. Черные дыры. Гравитационный радиус (сфера Шварцшильда). Эмпирические доказательства ОТО: отклонение света звезд в поле тяготения Солнца, изменение частоты электромагнитной волны в поле тяготения, смещение перигелия орбиты Меркурия.

Принципы симметрии, законы сохранения. Симметрия (соразмерность) законов физики, устанавливающих соотношение каких-то величина и/или их изменение во времени, как сохранение (инвариантность) этих законов при определенных преобразованиях систем, которые им подчиняются. Асимметрия как нарушение симметрии. Геометрические (выражающие однородность или изотропность свойств пространства и времени) и динамические (выражающие свойства физических взаимодействий) симметрии и асимметрии. Геометрические симметрии и законы сохранения ряда величин (однородность времени – закон сохранения энергии; однородность пространства – закон сохранения количества движения или сохранения импульса [m·v], изотропность пространства – закон сохранения момента импульса или углового момента [r·mv]). Теорема Нетер. Динамические симметрии и законы сохранения электрического, лептонного, барионного и др. зарядов при превращениях элементарных частиц. Эволюция как цепь нарушения симметрий. Важнейшие асимметрии природы: барионная асимметрия Вселенной, хиральность живого вещества.

Масса и энергия как универсальные, существенные и определяющие свойства объектов микро-, макро- и мегамира. Масс-энергетическое единство физической материи.

Фундаментальные физические взаимодействия. Единство физической материи как связанность в целое ее объектов посредством взаимодействий. Понимание природы физического взаимодействия в механической и электромагнитной картинах мира, дально- и близкодействие (тема 2). Полевой механизм передачи взаимодействий. Парадоксальные свойства механического эфира как переносчика электромагнитных взаимодействий. КТП, квантово-поле-вой механизм передачи взаимодействий как обмен их участников квантами полей-переносчиков взаимодействий. Отличие квантового поля от механического эфира. Типы фундаментальных взаимодействий. Сходство, различия и основные результаты (роль в природе) сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействий. Кванты их полей (глюоны, промежуточные векторные бозоны, фотоны, гравитоны). Принцип суперпозиции: допущение, что результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.

Константы фундаментальных взаимодействий, их различие по интенсивности (силе). Энергия связи нуклонов в ядрах атомов (дефект массы). Совпадение значений констант при повышении плотности энергии (температуры) Вселенной. Проблема теоретического объединения всех взаимодействий в теорию «всего» как одна из главных в современной физике. Теории электрослабого взаимодействия и Великого объединения. Гипотеза суперобъединения (супергравитации), проблема совмещения неквантовой теории гравитации (ОТО) и квантовой теории остальных взаимодействий. Идея возникновения фундаментальных взаимодействий в результате нарушения ряда симметрий исходного нерасчлененного поля при снижении температуры Вселенной.

Космология. Генетическое единство физической материи. Модели бесконечной в пространстве стационарной Вселенной. ОТО и нестационарные (закрытая, пульсирующая и открытые) модели Вселенной А.Фридмана. Проблема средней плотности Вселенной, определяющей, какой из этих моделей соответствует наша Вселенная. Скрытая масса Вселенной. Эмпирические подтверждения ее нестационарности (расширения). Красное смещение спектров излучения галактик, увеличивающееся с ростом расстояния между ними. Его объяснение эффектом Доплера (Хаббл). Космологическая постоянная и оценка возраста Вселенной, начатая Хабблом. Проблема сингулярности – начального состояния Вселенной. Его религиозное объяснение и направление его научного объяснения: объединение ОТО и квантовой физики (дополнение релятивистской космологии квантовой космологией). Теория горячей расширяющейся Вселенной (Большого Взрыва) Г.Гамова. Стадии физической эволюции Вселенной по Гамову: дорекомбинационная стадия (включающая эры адронов, лептонов и излучения или радиационно-доминированной плазмы); стадия рекомбинации (перехода плазмы в атомарный водородно-гелиевый газ); пост-рекомбинационная стадия (потеря этим газом гравитационной устойчивости к флуктуациям плотности, и его самоорганизация в астрономическую структуру Вселенной). Эмпирические подтверждения теории Большого Взрыва (реликтовое излучение, распространенность легких химических элементов, крупномасштабная структура Вселенной). Современное понимание начального состояния Вселенной и стадий ее эволюции, предшествующих адронной эре. Квантовая флуктуация ложного вакуума (он имеет большую энергию и подобен перегретой выше температуры кипения жидкости, которая взрывается от малейшего возмущения); ее раздувание (инфляция) – вследствие гравитационного отталкивания вакуума – до Метавселенной (10¹⁰ см), содержащей множество «мини-вселенных», одна из которых – наша Метагалактика. В них энергия вакуума переходит в массы частиц, и расширение продолжается уже по Гамову, но адронной эре в Метагалактике предшествует нарушение барионной симметрии вещества слабыми взаимодействиями предшествующих адронам очень тяжелых частиц. Новейшие эмпирические основания космологии: открытие «темной материи» и «темной энергии» Вселенной, ускоренного характера ее расширения, анизотропности реликтового излучения.

Этапы образования звезд. Внутреннее строение Солнца, циклы его активности. Эволюция звезд при разных массах. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Возникновение химических элементов. Физические реакции образования их ядер: термоядерный синтез, нейтронный захват, радиоактивный распад, разрушение устойчивых ядер частицами высоких энергий – «скалывание». Взрывы сверхновых. Распространенность химических элементов во Вселенной.

12

Космологический антропный принцип (АП). Фундаментальные физические константы. Неустойчивость физической структуры Вселенной к их изменению. Факт подгонки их значений в нашей Вселенной «под человека» и проблема его объяснения. Слабый АП. Сильный АП. Общая направленность физической эволюции Вселенной на возникновение жизни и человека.