7. Концепция сложноорганизованных систем и синергетика.

Синерге́тика — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем).. С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций Автором термина «Синергетика» является Ричард Бакминстер Фуллер — известный дизайнер, архитектор и изобретатель из США. Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций.

Синергетический подход в естествознании Основные принципы Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации: в динамически стабильные, в адаптивные, и наиболее сложные — эволюционирующие системы. Связь между ними осуществляется через хаотическое, неравновесное состояние систем соседствующих уровней Неравновесность является необходимым условием появления новой организации, нового порядка, новых систем, т.е — развития Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое образование не равно сумме частей, а образует систему другой организации или систему иного уровня Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроскопических (локальных) образований, изменения на макроскопическом (системном) уровне, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково Развивающиеся системы всегда открыты и обмениваются энергией и веществом с внешней средой, за счёт чего и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии В неравновесных условиях относительная независимость элементов системы уступает место корпоративному поведению элементов: вблизи равновесия элемент взаимодействует только с соседними, вдали от равновесия — «видит» всю систему целиком и согласованность поведения элементов возрастает В состояниях, далеких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы — наличие кратковременных точек раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму системы —аттрактору. Заранее невозможно предсказать, какой из возможных аттракторов займёт система

Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом: 1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции. 2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации. В положении, близком к равновесию со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние. 3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем. приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и через относительно кратковременное хаотическое состояние системы приводят либо к разрушению прежней структуры, либо к возникновению нового порядка. 4. Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций.

5. Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями.. В самоорганизующейся, в эволюционирующей системе возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются вследствие общей положительной реактивности системы, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Таковы, к примеру, механизмы фазовых переходов вещества или образования новых социальных формаций. 6. Самоорганизация в сложных системах, переходы от одних структур к другим, возникновение новых уровней организации материи сопровождаются нарушением симметрии. 8. Концепция дискретности и непрерывности. Квантовая механика.

Квантовая механика – это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая механика помогла человечеству описать и осознать такие явления, как:

1) ферромагнетизм твердых тел;

2) сверхтекучесть твердых тел;

3) сверхпроводимость твердых тел;

4) была объяснена природа и происхождение нейтронных звезд, белых карликов и других астрофизических объектов.

В теории квантовая механика делится на два вида:

1) нерелятивистскую квантовую механику;

2) релятивистскую квантовую механику.

Вот эти характеристики, различающие оба направления:

1) нерелятивистская квантовая механика более «строгая», это законченная фундаментальная физическая теория, главной особенностью которой является ее непротиворечивость. Релятивистская квантовая механика является более «мягкой», она допускает наличие противоречий в теории;

2) в нерелятивистской теории принято считать, что информация, помогающая взаимодействию, передается мгновенно. Релятивистская же квантовая механика утверждает, что взаимодействие распространяется со строго определенной скоростью. Следовательно, должно существовать что-то, что будет способствовать такой передаче. И этим «помощником» является физическое поле. Одним из основоположников квантовой механики можно назвать Планка. Он первым выступил против существовавшей в то время теории теплового излучения. В основе теории теплового излучения лежала статистическая физика и классическая электродинамика. Эти две отрасли науки не дополняли друг друга, а наоборот, приводили к противоречию всю теорию теплового излучения.

Суть его точки зрения заключается в том, что свет излучается не непрерывно, а порциями. А точнее – дискретными порциями энергии, т. е. квантами.

В квантовой механике выделяют так называемые дискретные состояния. Смысл данного состояния в том, что тело большого масштаба непрерывно изменяет свою скорость. Причем изменение этой скорости может происходить как в сторону ее увеличения, так и в сторону ее уменьшения. Для изменения скорости имеют большое значение разнообразные физические явления. Именно эти явления способствуют увеличению скорости или же, наоборот, ее уменьшению.

С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

Другое представление: атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа-Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой. Атомы по представлению древних греков не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.

Эти представления о структуре материи просуществовали фактически без существенных изменений до начала XX века,. корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек.

Дискретность и Непрерывность находятся непосредственно в основах философии и наук о материи и движении, в теориях пространства и времени, строения и структуры мира, отношениях вещества и поля, в биологии, социологии, логике и др. В теориях времени посредством дискреции и непрерывности раскрывается объективное строение времени и его общего хода, а также последовательность событий и действии объектов разной природы, операций с ними, хронометрии (измерения хода времени), и т.п. Все концепции времени разделяют на статические и динамические, а также субстанциональные (от лат. substantia – сущность) и реляционные (от лат. relation - отношение). 

9. Элементарные частицы

Мир элементарных частиц. Классификация элементарных частиц

Во второй половине XX в было открыто множество новых субатомных частиц.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К уже известным частицам, из которых построены атомы и молекулы (протоны, нейтроны, электроны), добавилось множество других: мюонов, мезонов, гиперонов, античастиц, различных нейтральных частиц и др. Среди субатомных частиц обнаружились и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются, — резонансы. Время их жизни — мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Миру субатомных частиц присущ глубокий структурный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

Классификация элементарных частиц

Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-бозон) обладает массой, в 200 000 раз большей массы электрона.

Важная характеристика частицы — спин — собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2). Частицы со спином более 2, возможно, вообще не существуют.

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10^-22—10^-24 с.

Свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы — переносчики взаимодействий.

Лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они, по-видимому, являются элементарными (в собственном смысле этого слова) объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе. Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино наряду с фотонами являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино — это некие «призраки» физического мира. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон — одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. В конце 1970-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. Значительно расширился список лептонов в 1960-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и may-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов – шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные – в слабом и электромагнитном (см. таблицу).

Адроны. Если лептонов всего 12, то адронов насчитываются сотни. Подавляющее большинство из них – резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны сами построены из более мелких частиц.

Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это – класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (мюоны, бозонные резонансы и др.). Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 1950-1960-х гг. крайне озадачило физиков. Но со временем частицы удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в целостной научной теории. Решающий шаг был сделан в 1963 г., когда была предложена кварковая модель адронов.

Частицы — переносчики взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Глюоны (их всего восемь) — переносчики сильного взаимодействия между кварками. Последние благодаря глюонам связываются парами или тройками Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы — W± и Z° -бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким — всего лишь около 10^-26 с. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но в то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2.

Классификация частиц на адроны, лептоны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субъядерных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи, Вселенной.

Сначала открыли электрон, затем фотон. Резерфорд открыл протоны. 1932 – нейтрон, 1939 – позитрон. Затем глюоны и мезоны. 350 видов частиц – можно различать по массе (не имеющие массы покоя и имеющие)

Среди имеющих массу:

1. Лептоны – легкие - электроны

2. Мезоны – средние - короткоживущие

3. Барионы – тяжелые – нейтроны, протоны

Частицы различаются временем жизни:

1. стабильные (не распадаются)

2. квазистабильные

3. нестабильные – распадаются мгновенно

Группы частиц:

1. Адроны. Участвуют во всех видах взаимодействий

2. Фотоны. Участвуют только в ЭМ взаимодействиях

3. Лептоны. Участвуют во всех взаимодействиях, кроме сильных (внутриядерных)

4. Гравитоны – кванты гравитационного поля (еще не открыты).

Группы частиц:

1. Истинно элементарные. На данном этапе развития науки неразложимы. Кварки, фотоны, гравитоны, частицы Хигса

2. Разложимые. Барионы, мезоны

Спин – момент количества движения – численное выражение количества степеней свободы. Есть частицы с целочисленным значением спина (1,2,3), есть с полуцелым (1/2, 3/2). Фермионы (Э. Ферми) – частицы с полуцелым спином. Базоны – частицы с целочисленным спином.

Запрет Паули. Суть: 2 частицы с полуцелым спином могут находиться вместе только при условии, что их физически характеристики неодинаковы.

Ш. Бозе. Настоящие элементарные частицы не обнаруживают внутренней структуры. Настоящие:

1. Лептоны

2. Кварки

3. Базоны

6 видов лептонов (частица + античастица):

Электрон, меон, тац-лептон (частицы)

Нейтрино, 3 вида (античастицы)

Спин лептона = ½. Нейтрино – призраки физического мира.

Истинно элементарные частицы – кварки. (М. Гелл-Манн, Д. Цвейг). Задача – объяснить взаимодействие между адронами (сильное). Построение математических моделей  адроны состоят из отдельных частиц под названием кварки. Т.е. адроны построены из кварков.

Сильное взаимодействие – в ядрах атомов. Предположение – кварки имеют спин ½. Кварки характеризуются наличием электрического заряда (1/2 или 2/3 заряда электрона). Кварк+антикварк = адрон

Эксперименты по поиску кварков оказались безуспешными. Предположение – дробный заряд в природе отдельно не существует – только в сочетании до целого. Электроны при эксперименте отскакивали от протонов под разными углами, демонстрируя, что протоны таки состоят из разных части.

Доказало Существование кварков и то, что отдельно они в природе не существуют. Каждый типа кварков был назван ароматом (U, D, S – верхний, нижний, странный). Позже – еще 3 кварка (C, B, T – очарование, красота, правда). Протон состоит из кварка и антикварка. Объяснение сущности барионов (udd-кварки – протон, uud – нейтрон).

Отдельный тип частиц – из антикварков. Антивещество- антипротон, антиэлектрон. Еще из кварков составляются частицы резонанса – они неустойчивы и быстро распадаются.

Допущение о существовании некого клея – частицы, связывающей кварки (глюон). Объяснен феномен стабильности ядра атома

70-е гг. Новые адроны – пси-частицы, новые мезоны – У-мезоны. +3 новых кварка (c, b, t). Теперь их 9.

Квантовая хромодинамика – современная теория сильного взаимодействия.

Квантовая электродинамика – теория ЭМ взаимодействия.

Когда число открытых частиц приблизилось к 400, встал вопрос: как еще можно различать кварки. Каждый кварк сейчас различается не только ароматом, но и цветом. 6 ароматов, каждый из которых разделяется на 3 цвета (красный, зеленый и синий). Наиболее вероятное число истинно элементарных частиц – 48. 12 лептонов и 36 кварков (не считая переносчиков взаимодействия).

Вывод:

• Есть тяжелые сильно взаимодействующие частицы

• Они состоят из 48 кварков

• Кварки различаются по 6 ароматам и 3 цветам

Частица-переносчик ЭМ взаимодействия – фотон (его спин=1).

Несколько переносчиков слабого взаимодействия:

• Базоны (W, Z, X)/ 1938 – открыты. Имеют большую массу, живут очень короткое время (10^-26 секунды).

Гравитационное взаимодействие. Если применима концепция близкодействия, то должна быть частица – гравитон с нулевой массой покоя, скоростью света, спин=2. Объяснение феномена гравитации.