Popov_KSE_1

В зависимости от длины волны в вакууме различают: низкочастотные колебания, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-лучи (рисунок 3.1).

Совокупность всех электромагнитных волн образует так назы-

ваемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он под-

разделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

−радиоволны (применяются для телевещания и радиовещания);

−микроволны (сантиметровые волны широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах; более короткие СВЧволны используются в «микроволновках»);

−инфракрасные лучи (Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей – как тепло. Применяются в приборах ночного видения, тепловизорах);

−видимый свет (человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра);

−ультрафиолетовые лучи (Мягкие

ультрафиолетовые лучи всолнечном спектре вызывают вумеренных дозах загар. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется для стерилизации);

−рентгеновские лучи (легко проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике);

гамма-лучи (состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей, точнее, для умерщвления раковых клеток).

Рисунок 3.1 – Спектр электромагнитных волн

41

Длина волны – очень важный параметр, поскольку она определяет пограничный масштаб: на расстояниях много больше длины волны излучение подчиняется законам геометрической оптики, его можно описывать как распространение лучей. На меньших расстояниях совершенно необходимо учитывать волновую природу света, его способность обтекать препятствия, невозможность точно локализовать положение луча и т. п.

Факт. Невозможно получить изображение объектов, если их размер порядка или меньше длины волны излучения, на которой ведется наблюдение. Это, в частности, ставит предел возможностям оптических микроскопов. В видимом свете невозможно рассмотреть объекты размером менее полмикрона; соответственно, увеличение больше чем 1-2 тысячи раз для оптического микроскопа лишено смысла.

Современная научная картина мира говорит о существовании трех форм материи – вещество, физическое поле, физический вакуум.

Физический вакуум – это первичная субстанция, базовая форма материи, среда, охватывающая всю Вселенную, среда с очень низким (но ненулевым!) энергосодержанием. Благодаря этому в нем постоянно происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.).

Более подробно о физическом вакууме изложено в лекции 7 «Структуры микромира».

3.2 Развитие представлений о движении

Понятие движение, возможно, появилось еще в древней Греции. Так в центре учения Гераклита из Эфеса стоит идея безостановочной изменчивости вещей, их текучести. Гераклит учил, что все в мире изменчиво, «всё течет, всё меняется». Ничто в мире не повторяется, все преходяще и одноразово. Нельзя понять мир, не учитывая его постоянную текучесть, изменчивость, то, что он все время находится в состоянии становления. Становление – это постоянное изменение, преобразование, движение, ведущее к созданию новых форм (вне зависимости от того, какими эти новые формы являются– более сложными или более простыми, прогрессивными или регрессивными, высшими или низшими и др.); такие новые формы являются лишь повторением того, что уже однажды когда-то было. В качестве примера он приводил огонь, который в то время представлялся самым подвижным и изменчивым веществом.

Согласно учению Аристотеля движение – это неотъемлемый атрибут материи, без материи нет движения. Нет движения как такового, а есть движение конкретных материальных предметов. Существует

42

большое разнообразие форм движения материи, которые можно свести к следующим:

1.механическая (связана с перемещением и взаимодействием в пространстве твердых, газообразных и жидких тел);

2.физическая (охватывает взаимодействие молекул и электромагнитные процессы, распространение и превращение тепловой энергии и т. п.);

3.химическая (охватывает процессы образования молекул из атомов и превращения одних химических веществ в другие);

4.биологическая (охватывает все виды жизнедеятельности растительных и животных организмов);

5.социальная (совокупность всех видов общественной деятельности человека).

Долгое время в научной картине мира единственной формой движения считалось механическое перемещение, под которым понималось изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. По сути, движение объяснялось на основе трех законов Ньютона, сформулированных им в конце XVII в.

1-ый закон Ньютона (или закон инерции) говорит о существовании таких систем отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно, либо покоится. Такие системы отсчета называются инерциальными. Таким образом, скорость тела сохраняется в отсутствие воздействий на него.

Факт. Инерциальная система отсчета – это научная абстракция. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-либо конкретным телом – Землей, корпусом корабля, самолета или автомобиля – которое движется с ускорением. Тем не менее, для большинства технических задач центр инерциальной системы можно связать с центром Солнца, либо даже с центром Земли.

2-ой закон Ньютона говорит о том, что воздействие на тело вызывает изменение его скорости (ускорение). Опять-таки, этот закон справедлив для инерциальных систем отсчета. При этом сила воздействия на тело равна силе его противодействия (3-ий закон Ньютона), т. е. стул воздействует на вас с такой же силой, что и вы давите на него, когда садитесь (п. 3.3).

Факт. Законы Ньютона перестают быть справедливыми для движения объектов очень малых размеров, сравнимых с размерами атомов (например,

43

элементарные частицы), и при движении со скоростями, близкими к скорости света.

Со становлением электромагнитной картины мира (XIX в.) понятие движения несколько расширилось. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний (волн) в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Факт. Волны обычно распространяются в какой-то среде (например, волны на поверхности озера распространяются в воде), однако направление движения самой среды не совпадает с направлением движения волн. Представьте себе поплавок, покачивающийся на волнах. Поднимаясь и опускаясь, поплавок повторяет движения воды, в то время как волны проходят мимо него.

Классическими примерами волновых процессов являются интерференция и дифракция.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором амплитуда результирующей волны в разных точках резко увеличивается или уменьшается (рисунок 3.2). Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в одинаковых направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн, т. е. интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия.

Рисунок 3.2 – Интерференция волн

Дифракция волн – явление, наблюдаемое при прохождении волн мимо края препятствия, связанное с отклонением распространения волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием. Из-за дифракции волны огибают препятствие, проникая в область геометрической тени.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения,

44

связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

За последние сто лет в научных представлениях о строении мира произошли гигантские изменения. Сейчас мы знаем множество новых форм движения материи, связанных с внутриатомными процессами, с взаимодействием кварков, разнообразных физических полей и элементарных частиц, а также с другими видами материи, возникающими на стыке живой и неживой природы. По мере научного познания материального мира возникают новые виды материальных объектов и процессов, т. е. новые виды материи, а, следовательно, и новые формы движения. Более сложным объектам и процессам соответствует и более сложная форма их движения. Чем сложнее данный вид материи, тем разнообразнее формы движения, в которых она одновременно находится. Так, живые организмы сложнее любого физического образования, состоящего из атомов, молекул. Им присуща биологическая форма движения, но вместе с тем они подчиняются и физическим законам, например законам притяжения, и химическим законам, которые управляют соединением молекул, образующих органы животных или растений и т. д. Человек включен в общественную форму движения, но одновременно – как живое существо – и в биологическую форму движения и т. д. Точно так же планеты Солнечной системы включены в особые планетарные формы движения (например, Земля – в геологическую). Вместе с тем они представляют собой очень сложные системы, части и элементы которых включены в физическую, химическую и другие формы движения.

Высшие, более сложные формы движения включают в себя более простые формы, сложившиеся на предшествующих ступенях развития. При этом более сложные формы нельзя свести к более простым. Так, общество как особую форму движения нельзя свести к биологической форме движения. Попытка такого сведения означала бы разрушение общества и превращение людей в животных.

3.3 Развитие представлений о взаимодействии

Представление о физическом взаимодействии древних греков тесно связано с концепцией движения. Очевидно, что если сила равна нулю, то и скорость будет такой же. Но Аристотель прекрасно знал, что стрела, выпущенная из лука, продолжает двигаться уже после того, как на нее перестает действовать сила тетивы; продолжает лететь камень, выпущенный из руки. На это у Аристотеля свой ответ – так называемая теория «антиперистасиса». Суть ее состоит в том, что в мо-

45

мент бросания камня рука приводит в движение не только камень, но и окружающую среду, в данном случае воздух. Рука сообщает окружающей среде некий «виртус мовенс» – способность передавать движение другим телам. Передвигаясь в соседнее место за счет «виртус мовенс», камень сдвигает новый участок среды и т. д. Замедление в процессе такого движения, происходящее за счет сопротивления среды, Аристотель объясняет тем, что при передачах «виртус мовенс» от камня к воздуху и обратно часть его теряется, и движение постепенно замедляется. Значит, в пустоте такого движения не должно происходить, но как раз только в пустоте можно осуществить движение по инерции, когда на тело не действуют силы сопротивления. Но Аристотель пустоты не признавал, он даже смеялся над теми, кто пытался использовать это понятие. «Что такое пустота?» – спрашивал он. И отвечал: «Это место без помещенных туда тел».

Таким образом, передача воздействия, согласно Аристотелю, осуществляется только через посредников, при непосредственном контакте (своего рода первоначальная форма концепции близкодействия). А само взаимодействие понимается Аристотелем как действие движущего на движимое, т. е. одностороннее воздействие одного тела на другое.

Несколько иной вид получила концепция взаимодействия с появлением механической картины мира. Так Ньютон говорил о том, что силы, возникающие при взаимодействии двух тел, всегда имеют одну природу (3-ий закон Ньютона). Если, например, Земля притягивает Луну с силой тяготения, то равная по модулю и противоположно направленная сила, действующая со стороны Луны на Землю, также является силой тяготения.

Вообще говоря, все многообразие взаимодействий механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами. Величина этих сил определялась законом всемирного тяготения, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы M и m, разделенными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния – то есть:

F G Mm ,

r2

где G – гравитационная постоянная, равная примерно

6,67∙10-11 Н∙м²∙кг-².

Гравитационные силы проявляют себя только как силы притяжения: они стремятся сблизить частицы. Гравитационное отталкивание

46

(антигравитация) не обнаружено. Гравитационные силы являются универсальными, т. е. они действуют всегда и между любыми телами и сообщают любым телам одинаковое ускорение.

Факт. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Но ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и, в свою очередь, 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.

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников (через пустоту), т. е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

Несмотря на то, что гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией, а сам термин был введен в науку еще Аристотелем, это взаимодействие до сих пор остается наименее изученным из всех фундаментальных взаимодействий. До сих пор не создано полной и последовательной теории тяготения. В этом отношении мало что изменилось со времен Ньютона, который о явлении гравитации писал, что причину свойств тяготения до сих пор невозможно вывести из явлений природы. Довольно того, что тяготение существует и действует согласно изложенным законам и этого вполне достаточно для объяснения движения всех небесных тел.

Следующий этап в развитии представлений о взаимодействии связан с появлением классической электродинамики, в основе которой лежат уравнения Максвелла. Сущность уравнений классической электродинамики сводится к эмпирическому закону Фарадея и закону Кулона, который эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона

(сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных

тел прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними):

F k Qq .

r2

Факт. Между разноименными зарядами возникают силы притяжения, а между одноименными зарядами – силы отталкивания.

47

Уравнения Максвелла позволяют единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве. Ньютоновский принцип дальнодействия заменяется принципом близкодействия, который утверждает, что любые взаимодействия передаются только через материального посредника – физическое поле, от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. Таким образом, взаимодействие передается с помощью полевого механизма: заряд создает соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды.

Согласно современным воззрениям, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействи-

ям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Каж-

дое из этих взаимодействий имеет сходство друг с другом и в то же время свои отличия.

Сила взаимодействия для любого типа взаимодействия может быть представлена в виде:

F = k ∙ Q1 ∙ Q2 ∙ f(r),

где k – константа (относительная сила) взаимодействия;

Q1, Q2 – соответствующие заряды участников взаимодействия; f(r) – функция, определяющая зависимость силы взаимодейст-

вия от расстояния.

Для любого взаимодействия справедлив квантово-полевой механизм передачи взаимодействий: заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами.

Каждому фундаментальному взаимодействию соответствует своя частица-переносчик этого взаимодействия: у электромагнитного – это фотоны, у гравитационного – гравитоны, у слабого – про-

межуточные векторные бозоны, у сильного – глюоны. Многие характеристики фундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы, в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой его час- тиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно компенсироваться.

48

Стоит отметить, что каждое из четырех взаимодействий играет исключительно важную роль в нашей Вселенной.

Благодаря своему глобальному характеру гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления – орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и за падения тел.

Электромагнитное взаимодействие – это самое распростра-

ненное в окружающем нас мире (макромире), а также самое широко используемое в современном быту и технике. Трудно представить себе физический процесс или природное явление, где бы ни участвовало электромагнитное взаимодействие. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы, вещество, макроскопические тела, электромагнитным взаимодействием определяются свойства агрегатных состояний вещества, протекают химические реакции, проявляются силы трения, упругости, поверхностного натяжения. Электромагнитную природу имеют процессы ионизации, рекомбинации, давления света, фотосинтез, фоторасщепление ядер и многие другие.

Сильное взаимодействие не только обеспечивает устойчивость атомных ядер и создает возможность образования всего многообразия химических элементов, но и является источником огромной энергии. Благодаря сильному взаимодействию происходят реакции термоядерного синтеза внутри звезд, в частности и в недрах Солнца.

Слабое взаимодействие – это единственный тип взаимодействия, который меняет тип микрочастиц, превращая их в другие микрочастицы. Слабое взаимодействие играет исключительную роль в термоядерных реакциях на Солнце, т. к. без слабого взаимодействия невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона превращаются в 4He, два позитрона и два нейтрино. Благодаря особым свойствам слабого взаимодействия термоядерные реакции внутри Солнца и других звезд протекают ровно и спокойно, не носят взрывной характер. Слабые силы участвуют в процессах, приводящих к гравитационному коллапсу (сжатию) массивных звезд, что приводит к вспышкам сверхновых с последующим образованием нейтронных звезд и черных дыр.

Основные сведения по фундаментальным взаимодействиям представлены в таблице 3.1.

49

Таблица 3.1 – Фундаментальные взаимодействия