Основные концепции современной физики

Адроны (от греч. сильный, крупный) – общее название
для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.

Атом (греч. atomos – неделимый) – структурный элемент микромира,
состоящий из ядра и электронной оболочки.

Квант – неделимая порция какой-либо частицы,
введена М. Планком для обозначения элементарной (наименьшей из возможных)
дискретной порции энергии.

Кварк (от немец. чепуха, творог) –
элементарная (субэлементарная) частица с дробным электрическим зарядом,
участвующая в сильном взаимодействии. Установлено, что протоны и нейтроны
состоят из кварков (каждый из трех кварков).

Лептоны (от греч. легкий) – группа
частиц, не участвующих в сильном взаимодействии.

Нейтрино – легчайшая элементарная
частица, участвующая только в слабых и электромагнитных взаимодействиях.
Возможно не имеет массы.

Нейтрон – представляет собой частицу с
массой, почти равной массе протона, но лишенной электрического заряда.

Протон – представляет собой ядро атома
водорода с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона, и
массой, превосходящей массу электрона в 1836 раз.

Радиоактивность – испускание излучения
естественного происхождения некоторыми минералами. выявлено три типа этого
излучения: α-лучи – тяжелые положительно заряженные частицы (ядра гелия),
β-лучи – отрицательно заряженные легкие частицы (электроны), γ-лучи –
нейтральное излучение, не обладающее массой.

Элементарные
частицы – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению,
состоит вся материя. В современной физике термин употребляется (менее строго)
для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчиненных условию,
что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ФИЗИКЕ

Гравитационное взаимодействие
характерно для всех материальных объектов независимо от их природы. Но в то же
время можно выделить это взаимодействие в отдельную группу как самое
таинственное. Вместе с тем можно сгруппировать сильное, слабое и
электромагнитное взаимодействия, которые могут быть, по-видимому, объединены в
одно общее взаимодействие. Единая теория электромагнитного и слабого взаимодействий
уже создана. Что касается гравитационного взаимодействия, то реальных
предпосылок для его объединения с другими взаимодействиями пока нет. А.
Эйнштейн почти 30 лет искал возможности для объединения гравитации и
электромагнетизма, но потерпел неудачу. Гравитон – квант гравитационного поля –
до сих пор является гипотетической частицей.

Краткая характеристика физических
взаимодействий

Фундаментальные взаимодействия характеризуются
соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут
иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант.
Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша G_m=6,7·10^-11н·м²/кг².
Слабое взаимодействие – универсальной постоянной G_w=1,4·10^-62Дж
· м³. Электромагнитное и
сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое
– g_e = 1/137 – так называемая «постоянная тонкой
структуры»; второе – g_s = 8·10^-2.

Сильные и слабые взаимодействия могут
быть проиллюстрированы их макроскопическими проявлениями: α- и β-
радиоактивностью. Первое обусловлено сильными взаимодействиями, последнее –
слабыми взаимодействиями. Более того, анализ β-радиоактивности заставил физиков
признать существование особого типа взаимодействия – слабого. С точки зрения
сильных взаимодействий протон и нейтрон неразличимы, и для них используется
единый термин «нуклон», т.е. частица
ядра.

С концепциями взаимодействия в физике
тесно связана концепция физического
вакуума. Вакуум – это вовсе не «абсолютное ничто», а реальная физическая
система, например электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того,
согласно квантовой теории поля, из вакуумного состояния можно получить все
другие состояния поля.

Под
вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни
энергии, ни частиц, ни полей. Вакуум можно определить как поле с минимальной
энергией. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В вакууме
постоянно протекают сложнейшие физические превращения, например особого рода
вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не
распространяющиеся, но отчетливо проявляющиеся в физическом эксперименте. Эти
проявления можно считать «вакуумными корнями физических полей».

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ

Среди фундаментальных констант условно
можно выделить: мировые (универсальные), электромагнитные, атомные и
физико-химические. Мировые (универсальные) константы представлены в таблице.

Согласно формуле Планка

 E = h · v,

энергия
в микромире передается порциями (квантами). Здесь Е – энергия, v – частота.

Мировые
фундаментальные константы

Примечание: с – максимальная скорость
для всех возможных взаимодействий в природе; G – коэффициент пропорциональности в формуле,
описывающей закон всемирного тяготения; h – квант энергии.

В настоящее время нет четкого критерия,
позволяющего установить, какие из констант можно считать фундаментальными.
Наиболее часто среди них, помимо приведенных в таблице, выделяют е и m_e (минимальное возможное значение электрического
заряда, существующего в природе в свободном состоянии, и его масса).
Невидимость констант друг к другу можно считать примером их истинной
фундаментальности. Известный ученый Б. Рассел пишет: «Обычно (хотя и не всегда)
считается, что ни одна из них не может быть выведена из других». Те из
констант, которые считаются в современной физике (в рамках существующих теорий)
имеющими значение для всей наблюдаемой части Вселенной, называются мировыми универсальными константами.
они в полной мере отвечают требованиям несводимости друг к другу.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Становление представлений об устройстве атома
опирается на идеи глубокой древности, но атомное строение вещества установила
химия XIX в. Современная атомная теория ведет свое начало от
сформулированного А. Лавуазье закона
постоянства состава. Реальность атомов была подтверждена самим фактом
броуновского движения.

Развитие представлений о строении атома
опирается на три яркие физические модели. Первой из них была модель Дж. Дж.
Томсона, который предположил, что атом подобен «булке с изюмом», где «булка» –
это сам атом, а роль «изюма» играют электроны. В более строгих терминах он
предложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром
около 10^{-10 м, внутрь которой «вкраплены» электроны.
Суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом
сферы. Когда электрон колеблется относительно центра сферы, атом излучает свет.
Томсон считал, что электроны группируются в слои вокруг центра сферы, а масса
атома равномерно распределена по его объему.}

В 1911 г. Э. Резерфорд
предложил ядерную модель атома. Возникновение этой модели было связано с
установлением существования ядер атомов. Было также осознано, что весь
остальной объем атома заполнен электронами. Модель возникла в результате
исследования α-лучей. Их рассеяние хорошо объяснялось положительно заряженным
маленьким ядром, заключающим в себе почти всю массу атома и окруженным
«планетной системой» электронов.

Н. Бор создал количественную модель
атома, в которой было доказано сходство с планетарной системой. Электроны
вращаются вокруг ядер подобно тому, как планеты вращаются вокруг звезд.
Обобщение теории Бора принадлежит А. Зоммерфельду, а саму обобщенную модель
часто называют моделью Бора – Зоммерфельда. Однако уже в 20-е гг.XX в. стало ясно, что электронных орбит нет, а есть
области, в которых электрон может существовать.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ
ЧАСТИЦЫ

В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура
никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон.
Подавляющее большинство элементарных частиц (мезоны, барионы)
обладают внутренней структурой.

История открытия элементарных частиц
занимает одно столетие. В 20-е гг. XX в.
теория элементарных частиц была предельно проста. Были известны две частицы –
электрон и протон, а также два вида взаимодействий – гравитационное и электромагнитное.
На их основе объяснялись все явления природы.

Можно выделить два основных потока
открытий новых элементарных частиц. Первый находится на 30–50-е гг., когда,
прежде всего, были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античастица по
отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным,
а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при
соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их
аннигиляция, т.е. исчезновение частиц, причем их энергия превращается в другие
формы, например в излучение.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Классические понятия «частица», «волна» слишком узки
для мира элементарных частиц. Реальная элементарная частица более богата
содержанием. Корпускулярно-волновой
дуализм – это универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем
микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые характеристики.
Так, например, электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как
частицы, движущиеся по классическим траекториям и обладающие определенными
энергией и импульсом, а в других – обнаруживают свою волновую природу,
характерную для явлений интерференции и дифракции частиц.

Впервые проблема
корпускулярно-волнового дуализма возникла в связи с исследованием света.
Волновая природа света была установлена в начале XIX в. (обнаружены дифракция и интерференция света). На
рубеже XIX и XX вв. была
установлена корпускулярная природа света, о которой люди догадывались давно.
Например, сторонником подобных воззрений был Ньютон. Частицы, из которых
состоит свет, Ньютон называл «корпускулами», однако рассуждения, которые
приводили его к подобным правильным выводам, были ошибочными.

Коль скоро свет – явление столь же
особое, как и фотон – особая частица, то ученые предположили, что это явление
присуще только свету. Однако в 20-х гг. XX в. подобный дуализм был установлен и для электронов.
В 1924 г.
французский физик Л. В. де Бройль выдвинул предположение, что наряду с
корпускулярным поведением волн должно обнаружиться и волновое поведение частиц.
Де Бройль доказал, что если постоянную Планка h разделить на импульс частицы р, то получится длина
волны λ, которой эта частица обладает.

После открытия корпускулярно-волнового
дуализма частиц было предложено несколько его философских и научных
интерпретаций. Основными из них являются следующие три.

1. Де Бройль изначально предположил,
что материя волнообразна и что волны,
описываемые квантовой механикой, сами есть система, а не «представляют» систему. Однако это
объяснение приводит к очень трудным проблемам.

2. М. Борн утверждал, что материя
корпускулярна, а волновая функция описывает
наши знания о частицах. Это объяснение связано с не меньшими трудностями.

3. В «копенгагенской интерпретации»
устранены противоречия первого и второго
объяснений. Ее авторы Н. Бор и В. Гейзенберг утверждают, что никакое наблюдение не имеет величины до
тех пор, пока не произведено измерение
соответствующего наблюдаемого, т.е. «траектория» (элементарной частицы) возникает только вследствие того, что
мы ее наблюдаем.

ВОПРОСЫ
ДЛЯ СЕМИНАРОВ

1. Какие виды взаимодействий рассматриваются в физике (охарактеризуйте каждое из них)?

2. Что такое фундаментальные константы?
Какова их роль в физике и в моделях Вселенной?

3. Какие гипотезы о строении вещества
были выдвинуты, начиная с Демокрита и до Томсона, Резерфорда и Бора?

4. Что такое корпускулярно-волновой
дуализм? По какой причине возникли трудности у физиков, когда они в начале XX в. стали изучать микромир?

5. Какие элементарные частицы
стабильны?

6. Чем отличаются адроны и лептоны?

7. Какие фундаментальные физические
константы М. Планк считал универсальными?

8. Что такое физический вакуум?