Физическая картина мира 1 2 3 4 Структурное

Физическая картина мира 1. 2. 3. 4. Структурное строение материального мира Характеристика микромира Характеристика мегамира Теория суперволн

1. Структурное строение материального мира Материя существует в окружающем нас пространстве в форме: ü вещества ü поля Вещество в природе находится в виде различных структур, которые определяют строение и свойства окружающего нас материального мира. Современная наука в результате многовекового изучения природы разделяет окружающий нас мир на три области: микромир, макромир и мегамир.

Миры • Микромир – это область природы, доступная человеку через посредство приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др. ). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. • Макромир — это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. • Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно.

Иерархия объектов Микромир: вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки Макромир: Мегамир: планеты, звезды, галактики, макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), Метагалактика, Вселенная. индивид, популяция, сообщество, биосфера;

2. Характеристика микромира ВАКУУМ - это физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей — тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают Вселенные с разным набором фундаментальных постоянных.

Элементарные частицы По современным представлениям элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Характеристики элементарных частиц Элементы структуры микромира - микрочастицы. Они различаются массой, зарядом, спином, временем жизни и т. д. • Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы), промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны). • Заряд элементарной частицы всегда кратен заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заряда, например фотон.

• Спин – это собственный момент импульса частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Момент импульса характеризует количество вращательного движения (волчок) В зависимости от спина частицы делятся на две группы: с целым спином (0, 1, 2) – бозоны, с полуцелым спином (1/2 и др. ) – фермионы. • Время жизни. Частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (большинство). o нестабильные живут несколько микросекунд, распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия o стабильные не распадаются длительное время (фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон). o квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия. Время жизни резонансных частиц – порядка 10 -22 с.

Классификация частиц Фермионы, из них и состоит вся материя Кварки, Бозоны, переносят различные виды взаимодействий сильно Лептоны, взаимодействующие свободно между собой и существуют в запертые пространстве внутри более независимо сложных от своих собратьев. частиц вроде адронов

Нуклоны • Нейтрон – нейтрально заряженная частица, может быть поделен на 2 нижних кварка и 1 – верхний. • Протон – положительно заряженная частица, делится на 1 нижний кварк и 2 верхних кварка.

Взаимодействие, передаваемое бозонами Массу покоя от частицы к частице передают бозоны Хиггса (спин 0, масса 96– 117 Гэ. В, или ок. 115 Гэ. В). Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает: • Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет. • Сильным ядерным, частицы — глюоны. Глюоны склеивают пары кварков в мезоны , а тройки кварков – в нуклоны : протоны и нейтроны, нуклоны – в ядра атомов. • Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга. • Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Частица и античастица Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковое время жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. • Электрон –позитрон (открыт в 1936 г. ) • Протон-Антипротон (1955 г. ) • Нейтрон-антинейтрон (1956 г. )

Ядра Атомные ядра — это связанные системы протонов и нейтронов. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т. е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами, т. е. обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числами протонов и нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, называемых магическими.

Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 1044 нуклонов/м 3, плотность массы 1017 кг/м 3. "Радиусы" ядер изменяются от 2 х10 -15 м (ядро гелия) до 7 х 10 -15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную). • Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 1018 лет до 10 -10 с.

Атомы Состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом - наименьшая структурная единица химических элементов. Атомные электроны образуют рыхлые и ажурные оболочки. Электроны, находящиеся на самых верхних орбитах определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение с другими атомами.

Молекулы Молекула - наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства, т. е. свойства живого.

Клетка — это организованная часть живой материи. Ее как представителя микромира рассмотрим в биологической картине мира. Итак, структура макромира не случайна – она задается особенностями микромира. В природе: субатомный мир подчинен сильному взаимодействию, атомный и молекулярный – электромагнитному, астрофизический – гравитационному.

3. Краткая характеристика мегамира Планеты. (в переводе с греческого — "блуждающие"). Планеты — это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Земля меньше Солнца по размеру в 109 раз, а по массе 333 000 раз. Многие планеты имеют спутники, обращающиеся вокруг них. Спутником Земли является Луна. Земля входит в состав планет Солнечной системы. • В Солнечной системе 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля с Луной, Марс с Фобосом и Деймосом, Юпитер с 16 спутниками, Сатурн с 17 спутниками, Уран с 16 спутниками, Нептун с 10 спутниками, Плутон с Хароном.

Звезды Это самые большие небесные тела, подобные нашему Солнцу, вещество которых находится в состоянии плазмы. Они имеют собственные видимые излучения и характеризуются различными размерами, массами, светимостями и временами жизни. • По размерам есть звезды больше Солнца в 1000 раз и составляющие 0, 003 доли размера Солнца. • По массе есть звезды массивнее Солнца до 80 раз, а есть составляющие до 0, 05 доли массы Солнца. На поверхности Солнца температура составляет 6000 К. Возраст звезд составляет от 10 млн до 100 млрд лет. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния, и тем самым практически изолированы. В окрестностях Солнца среднее расстояние между звездами примерно в 10 млн раз больше, чем средний диаметр звезд.

Галактики Звезды рассеяны в пространстве неравномерно, они образуют связанные силами тяготения системы, называемые галактиками. • Галактики имеют эллипсоидальную, спиральную или сплюснутую форму. • Расстояние от одного края галактики до другого десятки и сотни тысяч световых лет. Расстояния между отдельными галактиками еще больше — они в десятки раз превосходят размеры самих галактик. • Число звезд в каждой галактике огромно — от сотен миллионов до сотен миллиардов звезд. • С Земли галактики видны как слабые туманные пятна.

• Звезды распределены неравномерно, концентрируясь к центрам и образуя различные скопления. Пространство между звездами в галактиках и пространство между галактиками заполнено материей в виде газа, пыли, элементарных частиц, электромагнитного излучения и гравитационных полей • Плотность вещества межзвездной и межгалактической среды очень низка. Солнце, большинство звезд и звездных скоплений, наблюдаемых на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. Огромное количество входящих в нее слабых звезд видится белесой полосой, проходящей через все небо и называемой Млечным путем. • Галактики распределены по небу примерно равномерно и при этом галактики, подобно звездам, образуют группы и скопления.

Метагалактика и Вселенная Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, т. е. все сущее. Известная часть Вселенной, называемая Метагалактикой, — это объем, заполненный звездами, галактиками Самые далекие объекты Метагалактики, которые наблюдаются в настоящее время, — это квазары. От наиболее удаленных квазаров свет доходит до нас более чем за 10 млрд лет. • Радиус Метагалактики оценивается примерно в 5 млрд световых лет, причем эта цифра может еще быть увеличена. • Возможно, что Метагалактика имеет форму диска и вращается вокруг своей оси за период 1011 -1012 лет.

Большой взрыв • Вселенная родилась в Большом Взрыве и с тех пор непрерывно расширяется. Скорость этого расширения называется постоянной Хаббла, обозначаемой символом Н 0. • Представления о расширяющейся Вселенной, родившейся в Большом Взрыве, носят наименование моделей «горячей Вселенной» . • При расчетах моделей горячей Вселенной используется теоретическая величина постоянной Хаббла H 0 = 50 км/с на мегапарсек, которой отвечает возраст Вселенной в 13, (3) млрд лет. • Современные астрофизические исследования недвусмысленно показывают, что Вселенная анизотропна, т. е. глубоко неоднородна. Она имеет центр и периферию.

Вселенная В центре висит Великий Аттрактор (Абелль 3627), окруженный сверхскоплением галактик. Присутствует «холодное темное вещество» , которое не испускает ни тепла, ни света и взаимодействует с обычным «горячим светлым веществом» лишь гравитационно, сильно влияя на движение галактик, но оставаясь невидимым во всех областях спектра. Оценки свидетельствуют, что по массе «темное вещество» образует не менее 90% состава Вселенной. Состав «темного вещества» – проблематичен.

4 Теория суперструн Пространство нашей Вселенной ни в одной своей точке не является подлинно пустым. В любом уголке могут рождаться и исчезать виртуальные частицы. Это обстоятельство заставляет считать среду Вселенной по -своему сплошной и расценивать ее как «мировую поверхность» , родственную другим трехмерным средам (воздушной, водной и т. п. ). Гуще или реже мировая поверхность повсеместно покрыта мельчайшими складками – суперструнами. Их размеры отвечают так называемой планковской длине в 1, 62 × 10– 33 см. Суперструны отвечают элементарным частицам микромира. • С точки зрения квантовой механики планковская длина является минимальной размерностью, физически разрешенной в нашей Вселенной.

Теория суперструн и мировая поверхность Представим простыню и на ней складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкамсуперструнам). • Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость. • Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.

Особенности суперструн 1. Суперструны безостановочно колеблются с предельными световыми скоростями. Колебательным движениям суперструн присущи характерные особенности, именуемые модами 2. Непрерывно перемещаются в пространстве: безмассовые, вроде фотонов, – со скоростью света, а обладающие массой покоя – с околосветовыми, релятивистскими скоростями. 3. Ведут себя и как волны, плавно огибая препятствия, и как частицы. 4. Все суперструны открыты, т. е. условно напоминают отрезки трепещущих нитей накаливания, – лишь гравитоны замкнуты в кольцо.

Пространственная многомерность суперструн Если макромир существует в трех пространственных измерениях (длина – ширина – высота), то мир суперструн пространственно девятимерен. • Помимо трех привычных, они имеют шесть дополнительных степеней свободы движения: колеблясь «влево-вправо» , суперструна одновременно колеблется не только «вверх-вниз» и «взад-вперед» , но еще в шести направлениях, уподобляясь в разрезе профилю противотанкового ежа. Девять подобных направлений минимальны, однако порция энергии может добавить десятое, и т. д. • Альтернативная теория супермембран видит все суперструны замкнутыми и пространственно десятимерными.

Сингулярность и многомерность мира На заре нашего мира Вселенная пребывала в форме сингулярности ( с лат. единичность какого-то события, существа, явления). Затем она распалась на суперточки, которые превратились в трепещущие суперструны, что явилось первым проявлением термодинамики во Вселенной. Отталкиваясь друг от друга, суперструны начали расходиться во все стороны, а новорожденная Вселенная стала расширяться и, соответственно, остывать. Сингулярность – это точка, находящаяся в пространстве-времени, через которую нет возможности ровно проложить геодезическую линию. Распадающаяся сингулярность оставила следы своей многомерности в устройстве нашего макромира.

Каждый человек живет по меньшей мере с 9 -ю степенями свободы движения. Человек способен двигаться в трех измерениях и в то же самое время вращается: • вокруг центра Земли (4 -я степень свободы движения). • вместе с Землей вокруг Солнца (5 -я степень), • вместе с Солнцем – вокруг центра Галактики (6 -я). • вместе с Галактикой вокруг центра Местной Группы - 7 -я степень свободы (наша Галактика Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы Облака; ), • в составе Местной Группы движется относительно центра Галактической Империи (8 -я степень свободы), • в составе Местного Сверхскопления галактик мы вместе со Сверхскоплениями Девы, Павлина-Индейца, Гидры-Кентавра и другими неуклонно стремимся к Великому Аттрактору (9 -я степень свободы).