Физическая картина мира Часть II КСЕ I курс

Физическая картина мира Часть II КСЕ I курс

Квантовая механика

Квантовая механика Создана в 1926 г. Э. Шредингером, В. Гейзенбергом и др. n Наука, описывающая на вероятностатистическом языке процессы, происходящие в микромире. n Основное утверждение – микрообъекты (электроны, молекулы и др. ) обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами, так можно получить общую картину микромира n

Принцип неопределенности В. Гейзенберга (1927 г. ) – Нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики микрочастицы - координату положения и импульс (траектория движения или скорость). Для этого необходимо два измерения и два разных прибора, свойства которых дополняют друга.

Принцип дополнительности Н. Бора (1927 г. ) – волновое и корпускулярное описание микропроцессов не исключают и не заменяют, а дополняют друга. Он применяется в других сферах жизни n Квантовый объект – это не частица и не волна, е нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы (мелодия больше суммы составляющих ее звуков).

Микромир

Структура микромира (уровни вещества) n Молекулярный n Атомный n Нуклонный (уровень атомного ядра) n Кварковый n Обсуждается суперструнный

Элементарные частицы (простейшие) n Сложные микрообъекты с определенной структурой (строением) n Размеры недоступны измерению -1015 см. n Они обладают корпускулярноволновым дуализмом, т. е. проявляют свойства частиц и волн n Их свойствами являются масса, заряд, среднее время жизни и участие в типах взаимодействий

Элементарные частицы n n n n В 1897 г. Томпсон открыл электрон В 1915 г. Эйнштейн – фотон В 1919 г. Резерфорд – протон В 1932 г. Чедвик – нейтрон В 1932 г. Андерсон – позитрон – античастица электрона 1964 г. Гелл-Манн, Цвейг выдвинули гипотезу о существовании кварков, из к. состоят все адроны, в том числе протоны и нейтроны Сегодня известно более 400 видов элементарных частиц

Элементарные частицы n n n Классификация по массе (не имеющие массу фотоны, легкие –лептоны, средние –мезоны, тяжелые – барионы) Все известные частицы обладают отрицательным, положительным или нулевым электрическим зарядом Каждой частице соответствует античастица с противоположным зарядом (кроме фотона) Существуют кварки - частицы с дробным электрическим зарядом(1/3 или 2/3 заряда электрона) По времени жизни делятся на стабильные (фотон, электрон, протон два нейтрино)- играют важнейшую роль в структуре макротел, и нестабильные (все остальные). Время жизни 10 -10 – 10 -24 сек, после чего распадаются.

Фундаментальные взаимодействия в природе

Физическое взаимодействие Взаимодействие – это развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Оно обуславливает соединение элементов в системы. n Взаимодействие – это движение материи, а движение включает в себя различные виды взаимодействия. Взаимодействие любого типа должно иметь своего физического агента-переносчика. Любые формы движения материи являются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. n

Фундаментальные взаимодействия в природе n Сильное n Слабое n Гравитационное n Электромагнитное

Сильное взаимодействие n n Проявляется только в микромире, происходит на уровне атомных ядер взаимное притяжение и отталкивание их составных частей (соединяет кварки и антикварки в адроны). Действует на расстоянии 10 -23 см. Характерное время 10 -24 – 10 -23 с. Сильное взаимодействие прочно связывает частицы, в результате возникают атомные ядра- наиболее прочные объекты природы, оно самое сильное Сильное взаимодействие – это цветовые взаимодействия между кварками.

Слабое взаимодействие n n Слабое – связано с распадом частиц (например b-распад). n 0=p+ + e- + v- (свободный нейтрон за 15 мин. распадается на протон, электрон и антинейтрино) Слабым зарядом обладают эл. ч. из класса лептонов и кварков. Он образует три разновидности поля с обменными частицами (бозонами) имеющими значительную массу. Действие на расстоянии 10 -15 – 10 -22 см, характерное время 10 -13 – 10 - 10 с.

Гравитационное взаимодействие n n n Гравитационное – самое слабое. Оно описывается законом тяготения Ньютона. Проявляется в макромире(тем сильнее чем больше масса взаимодействующих тел). Первостепенная роль в мегамире. Оно обуславливает образование всех космических систем, концентрацию рассеянной материи звезд и галактик. Расстояние действия неограниченно Поле тяготения создается частицами гравитонами. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами, к. переносят энергию. Для гравитации не существует противоположной силы отталкивания – антигравитации.

Электромагнитное взаимодействие n n n обладает универсальным характером, существует между любыми телами. Проявляется и в микро-, макро-, в мега- мирах, но решающая роль в макромире. Проявляется в притяжении разноименных зарядов и отталкиванием одноименных. Благодаря ему: электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы, молекулы – в макротела. Все химические реакции, электричество и магнетизм – это электромагнитные Заряд создает поле, квантом к. является безмассовая частица фотон. Взаимодействие + и – зарядов обеспечивается обменом фотонов. Слабее сильного в 1000 раз, но радиус действия до бесконечности, характерное время 10 -21 – 10 -19 с.

Кварки n Кварки могут иметь три условных типа зарядов: красный, синий и зеленый. , к. определяют сильное взаимодействие. Цветовые заряды кварков и антикварков создают 8 типов полей, переносчиками (квантами) к. являются 8 типов цветовых бозонов, названных глюонами. Глюоны не имеют массы, но имеют цветовые заряды и обладают ограниченным радиусом действия 10 -13 см.

Пространство и время

В классической механике в условиях макромира (для земных условий) И. Ньютон 1687 г. считал: n n Пространство и время абсолютны Абсолютное пространство однородно и изотропно и существует независимо от времени и наполняющей его материи Абсолютное время однородно и не зависит от происходящих событий Воздействие передается мгновенно на любые расстояния через пустоту (принцип дальнодействия)

Теории относительности Специальная теория относительности 1905 Общая теория Относительности 1915

Свойства пространства и времени в специальной теории относительности (1905) n n n Пространство и время взаимосвязаны События происходят в четырехмерном пространственно-временном континууме Воздействие передается с конечной скоростью через поле Действует принцип относительности – все физические явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково Принцип постоянства скорости света – она в вакууме одинакова и не зависит от движения источников и приемников света. Замедление времени в быстродвижущихся телах

Свойства пространства и времени в общей теории относительности (1915 г) пространство, время и материя взаимосвязаны n Сущность тяготения (гравитации) - при движении материальных объектов со скоростью близкой к скорости света (долететь до Луны за 1 секунду): 1. трехмерное пространство искривляют огромные массы физических тел (планеты, звезды), создающих поле тяготения. Вселенная искривлена и замкнута, безгранична, но не бесконечна. 2. время начинает течь медленнее вблизи массивных тел n

Концепции пространства и времени Постулат: Все тождественные физические явления протекают одинаково как инерциальных и неинерциальных системах отсчета

Всеобщие свойства пространства и времени n n n Объективность и независимость от сознания человека Абсолютность, т. е. проявление всех структурных уровнях материи Неразрывность между собой и с движущейся материей Единство непрерывности и прерывистости в их структуре Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи

Специфические свойства пространства n n n Непрерывность и связность (отсутствие разрывов) Протяженность Трехмерность (длина, ширина, высота) Наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве) Наличие симметрии и асимметрии Изотропность(отсутствие верха, низа)

Геометрия пространства

Специфические свойства времени Длительность Единство прерывного и непрерывного Необратимость Одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему) n Конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы) n Неодновременность событий в разных системах. n n