- •Введение
- •Общие методические указания по изучению дисциплины «Концепции современного естествознания» и выполнению контрольных заданий
- •Тематический план и модульная структура дисциплины «Концепции современного естествознания»
- •Структурный конспект лекций по дисциплине «Концепции современного естествознания» в схемах, определениях и таблицах
- •Лекция 1. Интеллектуальная сфера культуры и её связь с общим естествознанием
- •Литература.
- •Лекция 2. История естествознания
- •2.1. Периодизация истории естествознания
- •2.2. История естествознания в контексте трансдисциплинарных стратегий естественнонаучного мышления
- •Литература.
- •Лекция 3. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в контексте развития исследовательских программ и картин мира
- •3.1. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в протонаучной картине мира
- •3.2. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в классическом и неклассическом естествознании
- •3.3. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в постнеклассическом естествознании
- •3.4. Основные идеи и понятия общего естествознания
- •Литература.
- •Лекция 4. Монофундаментальность физики. Структурные уровни организации материи в рамках современной физики
- •4.1. Физика в контексте интеллектуальной культуры. Фундаментальность физики в естествознании
- •4.2. Общие представления о гипер-, мега-, макро-, микро-, гипомирах
- •4.3. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные микрочастицы
- •4.4. Концепция пространственно-временных отношений. Физический вакуум
- •4.7. Процессы в микромире. Элементы ядерной физики
- •Литература.
- •Лекция 5. Порядок и беспорядок в природе План лекции.
- •5.1. Динамические и статистические закономерности (теории) в познании природы
- •5.2. Основные характеристики (макропараметры) равновесного теплового макросостояния и его термодинамическое и статистическое описание
- •Литература.
- •Лекция 6. Химические концепции познания мира План лекции.
- •6.1. Химия в контексте интеллектуальной культуры. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии. Химические системы
- •6.2. Структурно-концептуальные разделы современной химии
- •6.2.1. Учение о составе вещества
- •6.2.2. Структурная химия
- •6.2.3. Проблемы учения о химических процессах
- •6.2.4. Эволюционная химия
- •Литература.
- •Лекция 7. Панорама современного естествознания в концепции «стрел времени» План лекции
- •7.1. Космология. Элементы физики Мегамира
- •7.3. Основные гипотезы («теории») происхождения жизни
- •Литература.
- •Лекция 8. Эволюционная концепция биологического уровня организации материи План лекции
- •8.1. Биология в контексте интеллектуальной культуры. Классификационные системы в биологии
- •8.2. Структурные уровни биологической организации материи на Земле
- •8.3. Генетика и эволюция
- •8.4. Синтетическая теория эволюции биологических структур материи. Макро- и микроэволюция
- •Литература.
- •Лекция 9. Биосфера и человек План лекции
- •9.1. Человек как особый уровень организации живой материи. Феномен человека "как существа трёхстороннего - биосоциокультурного"
- •9.2. Концепции биосферы и ноосферы
- •9.3. Концепции экологии
- •9.4. Коэволюционная синергетическая парадигма современного естествознания
- •Литература.
- •Практические занятия Общие методические указания
- •С е м е с т р (36 часов)
- •Контрольные задания
- •Контрольная работа № 1
- •Темы рефератов к контрольной работе № 1
- •Рекомендуемая литература
- •Приложения
- •Содержание
- •Тематический план и модульная структура дисциплины «Концепции современного естествознания»…………………………………………………8
4.3. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные микрочастицы
Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий нами сгруппированы в схеме 26.
Схема 26. Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий.
Вид, константа, радиус взаимодействия, примеры проявления |
Краткое описание |
Гравитационное Квз=10-39 Rвз=; взаимодействие всех тел |
|
Электромагнитное Квз=10-2 Rвз=; взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических, магнитных и электромагнитных полей
|
|
Слабое Квз=10-14 Rвз=10-18м; взаимодействие элементарных частиц при + и - распаде и взаимопревращаемости частиц
|
|
Сильное Квз=1 Rвз=10-15м; взаимодействие нуклонов в ядрах атомов, а также взаимодействие адронов
|
|
В настоящее время известные фундаментальные взаимодействия считаются проявлением единого фундаментального взаимодействия. Такой подход задает современная физическая исследовательская программа – единая теория поля.
Уже имеются отдельные фрагменты единой теории: например, теория объединения электромагнитного и слабого, экспериментально исследованная с помощью ускорителей, а также теория великого объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.
Основополагающие гипотезы этих теорий и соответствующий математический («кодовый») аппарат исследуются на большом адронном коллайдаре (БАК) (англ. сollider – сталкиватель), в котором пучки частиц (протонов или тяжелых ионов свинца) ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. Основным предметом исследования на БАК является физический вакуум. Используемые энергии – 0,92,36 и 7 ТэВ планируется довести до 14 ТэВ (1 ТэВ=1012эВ=103ГэВ).
Объединение всех фундаментальных взаимодействий основано на том, что различия между ними проявляются только при малых энергиях; при больших энергиях они объединяются в единое взаимодействие: электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются при энергиях порядка 102 ГэВ, что соответствует температуре 1015 К; электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия объединяются при энергиях порядка 1014 ГэВ, что соответствует температуре 1027 К; все виды взаимодействий, вероятно, объединяются при энергиях порядка 1019 ГэВ, что соответствует температуре 1032 К (такие условия соответствуют ранней стадии возникновения Вселенной в стандартной теории «Большого взрыва»).
Обратим внимание, что используемые энергии на большом адронном коллайдаре (БАК) достаточны для проверки теории электрослабого взаимодействия, т.е. объединения электромагнитного и слабого взаимодействий. При этом возникает возможность обнаружения бозонов Хиггса. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля (конденсата) Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое как механизм возникновения массы во Вселенной. Хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия и его изучение возможно натолкнет физиков на новую теорию объединения, более глубокую, чем стандартная модель, представленная схематически в схеме 27. Сам коллайдер назван большим из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя 26 659 м; адронным – из-за того, что ускоряет адроны, т.е. тяжелые частицы, состоящие из кварков, что позволяет исследовать кварко-глюонную плазму.
Схема 27. Структура теории «Великого объединения».
Схема ТВО не включает объединения гравитационного взаимодействия с другими взаимодействиями из-за практически отсутствующего воздействия гравитации не интенсивность остальных взаимодействий и на ход реакций превращения элементарных частиц, хотя теоретические схемы такого «Сверхвеликого объединения» разрабатываются на основе объединения супергравитации с внутренней симметрией ОТО. Данная теория вводит частицы-переносчики со спином S=2 (гравитоны) и частицы со спином S=3/2 (гравитино). Важную роль в схемах такого объединения играет теория струн, а также новые представления о суперсимметрии, связывающей между собой бозоны (переносчики) и фермионы (кварки и лептоны).
Итак, в теориях объединения фундаментальных взаимодействий особая роль принадлежит систематике элементарных частиц с выделением фундаментальных микрочастиц (см. схему 28).
Схема 28. Систематика фундаментальных микрочастиц.
Переносчики (кванты) взаимодействий |
Лептоны |
Кварки |
Гравитоны; фотоны; тяжелые промежуточные бозоны; глюоны (восемь цветных глюонов) |
Электроны, мюоны, тяжелый тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-лептонное нейтрино, античастицы лептонов |
Шесть типов кварков по аромату, в каждом из которых различают три цвета; античастицы кварков |
Как мы отмечали ранее, различают, исходя из целочисленного или полуцелочисленного значения собственного момента импульса микрочастицы – спина, бозоны – частицы «коллективисты» и фермионы – частицы «индивидуалисты». При этом если опираться на систематику фундаментальных микрочастиц, то фермионы задают вещественную форму материи, а бозоны – полевую.