1.4 Квантово - полевая картина мира в процессе обучения физике

В квантовой теории основополагающим понятием является квант электромагнитного поля. Квантовый микрообъект обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами. Так, при описании взаимодействия света с веществом приходится говорить о корпускулярных свойствах, а при распространении света в пространстве – о волновых. Получается, что один и тот же объект сочетает в себе такие свойства, которые с точки зрения классической физики несовместимы. Нильс Бор обозначил такое положение как принцип дополнительности. Возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем.

В квантовой механике принципиально изменено понятие движения. Движение стало трактоваться как изменяемость и превращаемость одних элементарных частиц в другие. Классические понятия траектория, путь, перемещение применять для микрообъектов невозможно. Для описания частиц используют волновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью. Законы движения всех без исключения микрочастиц носят вероятностный характер: одна и та же причина при одинаковых условиях вызывает разные следствия (подтверждено ядерными реакциями).

Не смотря на успехи квантовой механики за прошедшие 100 лет, на открытие многообразия мира элементарных частиц, человеку трудно наглядно представить процессы, происходящие в микромире, т.к. они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые наблюдались тысячелетиями. Именно поэтому даже современному человеку «удобнее» и «комфортнее» жить в механической картине мира.

1.5 Синергетическая картина мира в процессе обучения физике

Природа оказалась сложнее, чем предполагал человек: нет возможности открыть единый закон движения или найти единую силу, которая бы объяснила всем многообразие мира. Но как бы ни был разнообразен мир, атомы, из которых состоят и живые организмы, и неживые совершенно одинаковы. Все атомы имеют одинаковую структуру, построены из одних и тех же элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

В первой половине 20 в. был открыт фундаментальный факт: все элементарные частицы способны превращаться друг в друга. В 70-ых гг. было установлено, что истинно элементарными частицами являются лептоны и кварки. Различные элементарные частицы – это всего лишь формы существования материи.

Но единство мира не исчерпывается единством строения материи. Оно также проявляется в законах движения частиц и их взаимодействиях.

Несмотря на удивительное многообразие взаимодействий тел друг с другом, в природе по современным данным имеются лишь четыре типа сил:

гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия.

Вид взаимодейст.	Квант поля	Относит. Интенсивн.	Радиус действия	Сфера проявле-ния	Типичные явления
Гравитацион.	Гравитоны	10-39	∞	Макро-, мегамир	Притяжение и движение макро- и мега тел
Электро-магнитное	фотоны	10-2– 10-3	∞	Микро- Макро-, мегамир	Электрома-гнетизм; Взаимод. заряженных частиц
Ядерное (сильное)	Пи-мезоны	1	10-15м	микромир	Движение нуклонов в ядре; Превращения элементар. частиц
Слабое	глюоны	10-12– 10-13	10-18м	микромир	Распад элем. частиц; Взаимодействие нейтрино с веществом

Согласно новейшим теориям, взаимодействие происходит благодаря переносу частицы-носителя взаимодействия между взаимодействующими частицами. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотона между ними. Природа гравитационного взаимодействия пока точно неизвестна, предположительно оно происходит в результате переноса гипотетических частиц гравитонов.

Многие физики-теоретики полагают, что в действительности в природе имеется лишь одно взаимодействие, которое может проявляться в четырёх формах. Поэтому задача фундаментальной физики — разработка теории «великого объединения» взаимодействий. К настоящему времени разработана лишь теория электрослабого взаимодействия,объединившего слабое и электромагнитное взаимодействия.

Итак, современная физика, несомненно демонстрирует черты единства природы. Но все же многого, быть может даже саму физическую суть единства мира, выяснить пока не удалось. Неизвестно, почему существует столь много различных элементарных частиц, почему они имеют те или иные значения массы, заряда и других характеристик. До сих пор все эти величины определяются экспериментально. «Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течении тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них, и радость творческих исканий и открытий все еще продолжает существовать», - эти слова Галилея, произнесенных четыреста лет назад, до сих пор не устарели.