11.Как объясняется α-распад на основе представлений квантовой теории?
12.Под действием каких частиц (α-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны?
Глава 27. Современная Физическая Картина Мира
§57.Атомно-молекулярное строение вещества. Вещество и поле
Под термином «физическая картина мира» понимают представление о природе, исходящем из общих физических принципов. В основе античной физической картины мира лежала атомистика (учение о прерывистом строении материи).
Идея (греческое слово idea означает «понятие, представление») дискретности строения материи зародилось в 6-5 вв. до н. э. в Индии (философ Канада) и в 5-4 вв. до н. э. в Греции (Демокрит из Абдер). Демокрит признавал два первоначала: атомы и пустоту. Атомы вечны, неделимы (греческое слово atomos означает «неразделимый»), невидимы, не имеют протяженности, находятся в непрерывном движении; их сочетания образуют все протяженные предметы. Различие в числе, массе, скорости движения и взаимном расположении считалось причиной всего многообразия мира.
Однако глубокое развитие и обоснование эта идея получила лишь в 19 в. И стала научно обоснованным фактом в результате экспериментального доказательства молекул (как правило, атомы не существуют в свободном виде и образуют молекулы).
В начале 20 в. физики поставили вопрос: имеет ли атом внутреннюю структуру и как рапределяется материя внутри атома? В результате опытов под руководством английского физика Э. Резерфорда появилась ядерная модель атома. Согласно ей атомы практически пусты. Почти вся масса атома (более 99%) сосредоточена в ядре. Атомное ядро окружено облаком электронов.
Ядро состоит из нуклонов. Дискретность материи оказалась многоступенчатой
Современная атомистика считает материю не только дискретной, но и непрерывной. Вещество и поле – два фундаментальных понятия, обозначающих два вида материи на макроскопическом уровне. Вещество – совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя. Поле – вид материи, осуществляющий взаимодействие между частицами вещества, характеризующийся непрерывностью и имеющий нулевую массу покоя.
МОЛЕКУЛЫ
АТОМЫ
ЯДРА |
|
ЭЛЕКТРОНЫ |
|
|
|
АДРОНЫ ФОТОН ЛЕПТОНЫ
КВАРКИ
Рис. 57.1. Многоступенчатость дискретной материи
38
Но на микроскопическом уровне уже неправомерно различать вещество и поле по наличию или отсутствию массы покоя, т. к. нуклонные, мезонные и другие поля обладают массой покоя. Поля и частицы выступают как две неразрывные стороны микромира, как выражение единства корпускулярных (дискретных) и волновых (непрерывных) свойств микрообъектов.
§58. Кварки
Адроны (рис. 57.1, греческое слово hadros означает «сильный») – класс элементарных частиц, участвующих в так называемом сильном взаимодействии. Лептоны (греческое слово leptos означает «легкий») – класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием.
Кварки – это гипотетические частицы, являющиеся составными частями адронов. В таблице 1 приведены кварки шести типов («ароматов»). Каждый из кварков существует в трех физически неразличимых «цветовых» разновидностях: «красный», «желтый», «синий». Характеристика кварка «аромат» включает в себя всю совокупность квантовых чисел – электрический заряд, «странность», «очарование» и т. д. за исключением «цвета».
Кварки ( В = 1/3; L sz= ħ/2)
|
|
|
|
|
Таблица 58.1 |
||
|
|
Квантовые числа |
|
|
|
||
Название |
Электр. |
Шарм |
Странность |
Истина |
Красота |
Масса |
|
заряд, Q |
C |
S |
t |
В |
ГэВ |
||
|
|||||||
U (up-«вверх») |
+2/3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,3 |
|
D(down-«вниз») |
–1/3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,3 |
|
С (charm- |
+2/3 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1,5 |
|
«очарованный») |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
S(strange-«странный») |
–1/3 |
0 |
–1 |
0 |
0 |
0.5 |
|
T (truth-«истинный») |
+2/3 |
0 |
0 |
+1 |
0 |
1.8 |
|
B (beauty-«красивый») |
–1/3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
4.9 |
|
«Цвет» - квантовое число, характеризующее кварки и глюоны (английское слово glue означает «клей»). Глюоны – это гипотетические электрически нейтральные частицы с полуцелым спином и нулевой массой покоя, являющиеся переносчиком взаимодействия между кварками.
Кварки непрерывно испускают и поглощают глюоны, создавая глюонное поле, которое действунт на другие кварки. Глюоны являются «окрашенными» частицами. Поэтому при испускании глюонов «цвет» кварков изменяется, но их «аромат» охраняется. Например, кварк u не может превратиться в кварк d. Глюоны взаимодействуют и друг с другом, обмениваясь «цветом».
Теория взаимодействия «цветных» кварков и глюонов называется квантовой хронодинамикой. Согласно этой теории сила взаимодействия между кварками не убывает с увеличением расстояния между ними. Поэтому кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Невозможность вырывания кварка из адрона называется удержанием кварка или конфайнментом (английское слово confinement означает «тюремное заключние»).
Другой отличительной особенностью кварков является их асимпотическая свобода: при малых расстояниях кварки ведут себя как свободные частицы.
В экспериментах по рассеянию электронов на нуклонах было обнаружено существование в адронах точечных образований, названных партонами (латинское слово partus означает «часть»). Оценки электрических зарядов партонов оказались очень близкими к дробным элек-
39
трическим зарядам кварков. В модели партонов считается, что адроны участвуют в реакциях лишь некоторой своей частью – партоном. Существует гипотеза, отождествляющая партоны с другими кварками.
§59. Фундаментальные взаимодействия. Иерархия взаимодействий. О еди- ных теориях материи
Взаимодействие в физике – взаимодействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их состояний. Несмотря на разнообразие этих взаимодействий в природе, по современным данным имеется лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Классификация фундаментальных взаимодействий может быть приведена по разным признакам (таблица 59.1).
|
|
|
|
Таблица 59.1 |
Взаимодействие |
Сильное |
Слабое |
Электромагнитное |
Гравитационное |
Сфера действия |
ядро |
частицы |
атом |
Макромир |
Интенсивность |
1 |
10-10 |
10-2 |
10-38 |
Радиус действия |
10-15 м |
10-18м |
∞ |
∞ |
Переносчики |
глюоны |
Бозоны |
Фотоны |
гравитоны |
взаимодействия |
|
|
|
|
В обычном стабильном веществе роль сильного взаимодействия сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядре. При столкновении ядер или нуклонов с достаточно большой энергией (1 МэВ) сильное взаимодействие приводит к реакциям деления и синтеза ядер. Начиная с энергий сталкивающихся нуклонов от 0,1 ГэВ сильное взаимодействие приводит к рождению пионов, а при больших энергиях – к рождению странных, «очарованных», «красивых» частиц и множества мезонных и барионных резонансов.
Электромагнитному взаимодействию (1860 г.) подвержены все электрически заряженные частицы, фотон и нейтринные частицы, обладающие магнитным моментом. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен. Поэтому на атомных расстояниях (10-10 м)
электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия которых 10-15 м. Электромагнитное взаимодействие, характеризуется временем 10-15 с. Переносчиком взаимодействия является фотон.
Хотя электромагнитное взаимодействие играет определенную роль в ядерных силах, главной сферой его действия являются атомы и молекулы, структура которых определяется типом взаимодействия.
К электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, наблюдаемых в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, поверхностного натяжения в жидкостях и т.д. Этим взаимодействием объясняются свойствах различных агрегатных состояний вещества, химические превращения, электрические, магнитные, оптические явления. Проявление электромагнитного взаимодействия широко используется в электротехнике, радиотехнике, оптике, электронике. Короче, электромагнитное взаимодействие обуславливает подавляющее большинство явлений окружающего нас мира.
40
Слабому взаимодействию, характеризуемому временем 10-8 с, подвержены все элементарные частицы, за исключением фотона. Но должны быть особые условия, чтобы слабое взаимодействие проявилось на фоне сильного и электромагнитного. Оно ответственно за бета-распад ядер, взаимодействие нейтрино с веществом, распад нестабильных частиц. Например, свободный нейтрон распадается по схеме
n → р + е- + ύ.
Слабое взаимодействие осуществляется путем обмена т.н. промежуточными бозонами W и
Z0.
Гравитационному взаимодействию подвержена вся материя в целом. Проявляется оно, главным образом, между макроскопическими телами. В микромире это взаимодействие непосредственно не проявляется из-за малой массы частиц. Не исключено, что ему предназначена какая-
то особая, существенная, но пока еще не известная роль в мире элементарных частиц2 на расстояниях 10-35 м.
Философы утверждают, что материальный мир един. Это относится и к миру взаимодействий.
В 60-е годы двадцатого века (1967 г.) создана теория, объединяющая слабое и электромагнитное взаимодействия в единое электрослабое. Созданы схемы «великого объединения», исходящие из представлений о единой природе сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий. (Для проверки таких схем требуется энергия частиц 106 – 108 ГэВ. Сейчас достигнуты энергии 102 ГэВ). В схемах «великого объединения» (1980 г.) на единой основе рассматриваются лептоны, кварки, промежуточные векторные бозоны, фотоны и глюоны. При этом допускается превращение кварков в лептоны и обратно.
Существуют модели «суперобъединения», в которых все четыре типа фундаментальных взаимодействий объединяются в одно, т.е. рассматриваются как имеющие единую природу.
§60. Современная физическая картина мира как философская категория
Целью любой науки является истина, т.е. знание, которое соответствует объективному миру. Одной из форм отражения мира на ступени познания, формой обобщения предметов и явлений служит понятие. Форма осознания в понятиях способов отношения человека к объективному миру называется категорией (греческое слово kategoria означает «высказывание, свидетельст-
во»).
Втечении всего развития физики она была тесно связана с философией (греческие слова phileo и Sophia означают «люблю» и «мудрость») – наукой о всеобщих закономерностях бытия (т. е. природы и общества) и мышления человека. В древности физические сведения и гипотезы были составной частью различных философских систем. Сейчас эта связь проявляется в том, что в основе физики лежат фундаментальные физические теории, опирающиеся на философские гипотезы и постулаты.
Вфизике широко используются такие философские категории как материя и движение, время и пространство, количество и качество, необходимость и случайность и другие. Философской категорией является и физическая картина мира. Наиболее общие представления о природе, сложившиеся под влиянием философских идей, называются парадигмой естествознания( греческое слово парадигмаозначает «пример, образец»).
За последние 300 лет развитие физики осуществлялось в рамках парадигмы Ньютона (парадигмы «движения»). Физика, основанная на этой парадигме, называется «физикой существующего». Центральную роль в анализе физики играют философская категория «современная физическая картина мира», как наиболее общая теоретическая модель физических процессов.
Установление современной физической картины мира сводится к нахождению «клеточки» современной физики, позволяющей с единых методологических (методология-учение о методах
41
научного исследования) позиций трактовать классическую и квантовую, нерелятивистскую, релятивистскую, статистическую динамическую физики. В рамках современной, так называемой квантово-физической, картины мира такой клеточкой является физическая величина, измеренная на опыте.
Физический эксперимент никогда не сводится к однократному измерению. Вследствие необходимости многократного повторения измерения мы всегда имеем дело лишь со средним значением физической величины, в котором на микроуровне в диалектическом единстве слиты составляющие её элементы: физическая величина сама по себе, или наблюдаемая, и состояние физической системы, определяемое условиями эксперимента.
Физическая величина, измеряемая на опыте
наблюдаемая |
|
Среднее значение |
|
состояние |
|
|
|
|
|
Наблюдаемая (физическая величина сама по себе) характеризуется набором всевозможных экспериментальных значений физической величины, а состояние системыраспределением вероятностей этих значений.
Итак, в качестве современной физической картины мира можно рассматривать совокупность понятий, концепций (концепциясистема взглядов на те или иные явления; латинское словоconceptio означает «восприятие») и структур, образующих триаду (единство трёх понятий): «физика наблюдаемых – физика средних значений - физика состояний»). Ей соответствует следующая триада «физики существующего»: «релятивистская классическая физика – статистическая физика – квантовая физика».
Врелятивистской классической физике обычно имеют дело с такими экспериментами, в которых та или иная наблюдаемая величина при повторных измерениях даёт одно и то же значение, т.е. среднее значение физической величины по существу не зависит от состояния физической системы.
Встатистической физике центральным является понятие среднего значения (по ансамблю) физической величины, по существу объединяющее в себе два принципиально различных типа макроскопических параметров. Макропараметры первого типа являются аналогами соответствующих макроскопических параметров, встречающихся в динамике (внутренняя энергия, число частиц и т.п.). Второй тип параметров – это физические величины, не имеющие аналога в динамике (температура, энтропия и др.). В квантовой физике возможны такие условия эксперимента, в которых данная наблюдаемая величина может с разной вероятностью принимать любые значения.
42