3.5 Уравнение Шредингера
Основное уравнение квантовой механики было сформулировано в 1926 году Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и многое уравнения физики, н выводятся, а постулируются. Правильность уравнения Шредингера подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что в свою очередь придаёт ему характер закона природы.
4. Прикладной характер квантовой механики
Как уже отмечалось выше, квантово-механические законы лежат в основе работы широкого круга изобретений, используемых человечеством на сегодняшний день.
4.1 Строение Лазера
Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками - газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах.
В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами
На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.
Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны = 1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была в 1959 г. присуждена Ленинская премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.
В 1960 г. в CШA был создан первый лазер -- квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью.
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.
В газовых лазерах рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.
Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока.
Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт.
4.2 Применение лазерных технологий
Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.
В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.
Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - 0,001 мкм), оказывается просто фантастическим.
Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов.
Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов.
5. Будущее квантовой механики
1-3 июля 2001 года в городе Анн Арбор под эгидой Мичиганского университета состоялся первый Симпозиум по возможным применениям квантовой теории. Главный вопрос симпозиума был поставлен вызывающе-риторически: "Станут ли квантовые явления определяющими для технологического развития в 21 веке?" Ответ квантовых механиков однозначен, несмотря на все неопределенности их теории и нашего общего будущего. ДА.
На симпозиуме определились следующие области эксплуатации квантовых явлений в целях технического прогресса:
- Квантовые вычисления. Половина всех выступлений на симпозиуме была посвящена квантовому компьютеру. Одна из многообещающих идей в этом направлении, которую выдвинул два года назад Фил Плацман (Phil Platzman) из Lucent Bell Labs, заключается в создании квантового процессора с использованием облака электронов над поверхностью жидкого гелия.
- Квантовые нано-роботы. Поль Бенёфф из Argonne National Labs предлагает соединить квантовый компьютер с высокомобильными микроскопическими роботами. Бенёф считает, что применение таких роботов начнется с медицины, где они будут выполнять роль "кровавых ищеек". После введения в организм внутривенно или интраорально, они будут стаями рыскать по капиллярам, выискивая чужеродные клетки или нежелательные молекулы.
- Аэро-космическая техника и приборы. Уже в настоящее время успешно разрабатываются квантовые технологии для использования в сверхчувствительных измерителях гравитации, которые применяются для составления карт рельефа планетарных поверхностей.
- Атомные лазеры. В настоящее время используются фотонные лазеры, конструкция которых недалеко ушла от первых образцов 50-х годов. Однако, в 1997 году группа ученых из Массачусетсткого технологического института (MIT) разработала технологию получения плотно сфокусированного луча с использованием не фотонов, а атомов в когерентном состоянии. При помощи атомного лазера можно будет создавать трехмерные материальные голограммы. Подобные изобретения, по всей видимости, найдут применение в качестве трехмерных лазерных принтеров, которые позволят "распечатывать" не только тексты, но и модели трехмерных объектов.
- Наконец, самое потрясающее направление - квантовая фармакология. Квантовая механика грозится не только активно влиять на наш организм, но и в прямом смысле слова изменить человеческое сознание.
Пионерами на этом направлении выступают биолог Стюарт Хамерофф (Stuart Hameroff) из Центра по исследованию сознания в Аризоне и математик Роджер Пенроуз (Roger Penrose) из Оксфордского университета. Начиная с 1995 года они опубликовали серию статей, из которых следует, что в основе сознания людей и животных лежат квантовые процессы, происходящие в мозговых клетках.
Уже сейчас просматривается большое будущее квантовой фармакологии: теоретически, она сможет не только излечить человека от психических расстройств, но и заменить в сознании человека объективную реальность на альтернативную.
Заключение.
Три четверти века назад Нильс Бор сказал: "Кто не остался в шоке от квантовой теории, тот ее не понял".
Одна из главных причин непонимания правил квантовой механики - отсутствие их проявления в повседневной жизни. В то время, как мы на каждом шагу сталкиваемся с практическими примерами действия законов ньютоновской (классической) механики, будь то падение яблок или торможение автомобилей, квантовые взаимодействия микроскопических частиц скрыты от нашего глаза плотной завесой макро-мира.
Мы рассмотрели основные существующие на настоящий момент постулаты квантовой механики, а также применение этих принципов в современной промышленности. Как уже не раз отмечалось выше, законы, описывающие поведение микрочастиц существенно отличаются от законов Ньютона. Во-первых, микрочастицы обладают свойствами волны и материального объекта; во-вторых, неоднозначным (вероятностным) поведением; и в-третьих отсутствием возможности однозначно описать все характеристики движущейся частицы с точностью о констант. Законы квантовой механики не противоречат законам классической механики. Они обобщают «классические» законы в более универсальной теории, позволяющей описать повеление микрочастиц. При переходе к масштабам, во много раз превышающим размерность постоянной Планка, законы ньютоновской механики будут следовать из постулатов квантовой механики.
Научная мысль не стоит на месте. Возможно, в недалёком будущем нас ждут новые открытия, которые так же войдут в противоречие с существующими принципами квантовой механики. Тогда, возможно, возникнет новая, более общая теория мироздания, в которой квантовая механика займёт своё достойное место как один их разделов, как частный случай бесконечного разнообразия взаимодействия материи, энергии, пространства и времени.
Список литературы
|
|
Фундаментальные физические взаимодействия в природе, их характеристика Основы взаимодействия и связей в природе. Характеристика видов фундаментальных физических взаимодействий (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное). Проблема единства физики и установления глубинных связей между различными областями природы. Поделиться…
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже. Начало формы
Конец формы
Подобные работы 1. Основные проявления фундаментальных взаимодействий в макромиреФундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое; их понятие и краткая история. Взаимосвязь всех материальных объектов микро, макро и мегамира. Электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах. реферат [332,4 K], добавлена 10.07.2011 2.Взаимодействие сил в природеХарактеристика зависимости сил взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Ввзаимодействие агрегатных состояний вещества. Закон трех взаимодействий. Отражение трех первоначал Творения Вселенной. Активная, пассивная и нейтрализующая сила. контрольная работа [28,2 K], добавлена 30.09.2010 3.Взаимодействие сил в природеЗависимость сил взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Взаимодействие агрегатных состояний вещества, характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Закон трех взаимодействий (активной, пассивной и нейтрализующей сил). контрольная работа [29,1 K], добавлена 11.10.2010 4.Микро- и макровзаимодействия в природеОсобенности фундаментальных взаимодействий в природе. Что такое ядерная и термоядерная реакции. Строение атома. Важные элементы для жизнедеятельности. Основные признаки живого, теории происхождения жизни Миллера и Опарина. Устойчивость биосферного уровня. контрольная работа [80,8 K], добавлена 10.11.2009 5.Основы естествознанияСлабое и сильное ядерное взаимодействия, их отличительные особенности характер протекающих процессов. Гипотезы зарождения жизни на Земле: самопроизвольное зарождение, биогенез, панспермии, биохимическая эволюция. Пример химических элементов-изомеров. контрольная работа [261,8 K], добавлена 18.07.2011 6.Гравитация и электродинамика. Организация живой материи. Каталитические реакцииГравитационное и электромагнитное взаимодействия. Краткая сводка основных формул классической (неквантовой) электродинамики. Уровни организации живой материи и их характеристика. Пример нескольких каталитических реакций. Принцип действия катализатора. контрольная работа [34,0 K], добавлена 17.07.2010 7.Взаимодействия белков с РНК – структурный компьютерный анализОтличия ДНК-белковых от РНК-белковых взаимодействий. Ранние представления об РНК-белковых взаимодействиях. Современные методы исследования РНК-белковых взаимодействий. Биохимические методы. Физические методы. Метод молекулярного замещения. курсовая работа [43,5 K], добавлена 16.12.2002 8.Круговорот воды в природеОписание основных состояний воды - жидкого, твердого, газообразного. Изучение физических процессов испарения жидкости и конденсации пара. Схема образования облаков. Рассмотрение круговорота воды в природе как связующего звена между всеми оболочками Земли. презентация [1,3 M], добавлена 19.09.2011 9.Значение плесневых грибов в природе и в жизниКакое значение имеет в нашей жизни плесень и насколько она важна в природе. Антибиотик как главное оружие медицины. Характеристика плесневых грибов и их проблема. Достижения микробиологов в области изучения плесени и факты ее воздействии на человека. реферат [39,3 K], добавлена 25.07.2009 10.ВодаВода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях – жидком, твёрдом и газообразном, ее основные физические и химические свойства, значение в природе и жизнедеятельности организмов. Круговорот воды. презентация [746,5 K], добавлена 23.09.2011Другие работы, подобные Фундаментальные физические взаимодействия в природе, их характеристика
Размещено на http://www.allbest.ru/ 17 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова Институт непрерывного педагогического образования Кафедра психологии и развития Психолого-педагогический факультет Фундаментальные физические взаимодействия в природе, их характеристика Выполнила: Рыжкова Елена Юрьевна, студентка 2 курса заочной формы обучения Проверила: кандидат пед наук, доцент Т.А. Федорова Абакан, 2007План Введение 1. Взаимодействие и связь в природе 2. Общая характеристика физических взаимодействий 3. Фундаментальные физические взаимодействия 3.1 Гравитационное 3.2 Электромагнитное 3.3 Слабое 3.4 Сильное 4. Проблема единства физики Заключение Список литературы Введение «Концепции современного естествознания» -- новый предмет в системе высшего образования. Что означают слова, которые составляют название предмета? Результатами научных исследований являются теории, законы, модели, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия, каждое из которых имеет свое определенное значение, можно объединить одним словом «концепции». Естествознанием называется раздел науки, который изучает мир, как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. К современному естествознанию относятся концепции, возникшие в XX веке. Наука бурно прогрессирует, и научные открытия совершаются на наших глазах. Не только последние научные данные можно считать современными, а все те, которые входят в толщу современной науки, образуя ее краеугольные камни, поскольку наука не состоит из отдельных, мало связанных между собой теорий, а представляет собой во многом единое целое, состоящее из разновременных по своему происхождению частей. Насколько нужно знать современную науку человеку, который, скорее всего, никогда сам не будет работать в ней? В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Для чего же нужно изучать современное естествознание? Во-первых, для того, чтобы стать культурным человеком, надо знать, что такое теория относительности, генетика, синергетика, социобиология, экология, этология и другие науки. Во-вторых, это важно и потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. Хотя человечеству далеко до научной организации труда, тем не менее, научные принципы функционируют во многих видах деятельности, и, чтобы их успешно применять, надо их знать. В-третьих, потому, что знания так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. Этих причин достаточно для обоснования важности нового курса. 1. Взаимодействие и связь в природе Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, системную организацию материи. Все свойства тел производны от взаимодействий, являются результатом их структурных связей и внешних взаимодействий между собой. Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях, составляющих систему элементов материи, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, так же, как и всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение. Взаимодействие и движение являются формой существования материи. Для всякого объекта существовать - значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях. Именно взаимодействие и движение являются объективными критериями существования тел. Следуя объективной логике развития природы, можно выделить несколько форм движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе. Физика занимается исследованием процессов, происходящих в неживой природе и являющихся фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи. Несомненные успехи физических наук за последнее столетие привели к необычайному углублению наших знаний в этой области бытия и особенно в теории взаимодействия и движения материи. Долгое время физика понимала движение как простое механическое движение, но затем было осознано, что оно является лишь частным случаем пространственного перемещения - любого изменения положения тела и его элементов в пространстве, связанного и с изменением во времени. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поле тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать определенную траекторию, как у материальной точки. Но любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи - так называемых фундаментальных взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. 2. Общая характеристика физических взаимодействий В основе каждого фундаментального взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носителем способности частиц к взаимодействиям, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами. По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Иначе говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными - существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев. Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица - переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит радиус действия соответствующих сил. 3. Фундаментальные физические взаимодействия В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики. 3.1 Гравитация Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации -- ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению. Кроме того, гравитация -- далънодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось. Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация -- неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия. 3.2 Электромагнитное По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма -- первой единой теории поля. Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материалъные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные -- притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами -- северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой -- как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс -- монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи -- в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др. 3.3 Слабое взаимодействие К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики -- закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она -- нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино». Но предсказание нейтрино -- это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 3.4 Сильное взаимодействие Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий -- сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, -- Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. 4. Проблема единства физики Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки -- поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть глубинное связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений -- одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям. Установление глубинных связей между различными областями природы -- это одновременно и синтез знания, и новый метод, направляющий научные исследования по непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х гг. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию. Но к середине XX в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия -- сильное и слабое. При создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Однако сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла. Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия) остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной. Однако во второй половине XX в. появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60--70-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий -- Великого объединения. Заключение Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой -- малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого -- близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной. физическое взаимодействие природа Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития. Любые сложные формы движения при их разложении на структурные составляющие обнаруживаются как сложные модификации указанных фундаментальных взаимодействий. | ||||||||||||||||
