ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Физика

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Физика (греч. phesis - природ изучающая простейшие и наиболее общие закономерности природы: свойства и строение материи и законы ее движения. I. МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Механика изучает механическое движение тел и происходящее при этом взаимодействие между ними.

Основные понятия механики: • материальная точка – тело, формы и размеры которого не существенны; • абсолютно твердое тело – тело , деформацией которого можно пренебречь; • масса – мера количества вещества (постоянная величина); • вес – сила, с которой тело действует на опору (переменная величина); • сила – мера взаимодействия тел.

Ядро механической картины мира - механика Ньютона: любое физическое событие есть движение материальных точек в пространстве, управляемое законами механики: • инерции; • ускорения; • равенства действия и противодействия; • всемирного тяготения. Исаа к Нью тон (англ. Sir Isaac Newton, 1642 -1727) великий англ. физик, математик и астроном.

Основные положения механической картины мира: 1. Тела обладают внутренним свойством двигаться равномерно и прямолинейно, отклонение от этого движения связано с действием на тело внешней силы (инерции). 2. Все многообразие взаимодействий происходит за счет универсальных гравитационных сил, которые действуют всегда и между любыми телами и сообщают любым телам одинаковое ускорение. 3. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются одинаковыми, так как время обратимо.

4. Все механические процессы подчиняются принципу жесткого детерминизма - возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием. 5. Пространство и время никак не связаны с движением тел и имеют абсолютный характер. 6. Закономерности высоких форм движения материи сводимы к механическому движению. Механицизм - попытка свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Но движение атомов и молекул описать с помощью законов механики невозможно (ХIХ в. кризис физики).

II. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА (М. Фарадей и Д. Максвелл, вторая половина ХIХ в) Суть теории электромагнитного поля: изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое в свою очередь вызывает появление магнитного поля. Основные положения: 1. Мир - единая электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. 2. Материя непрерывна и существует в двух видах – вещества и поля, которые не могут

Майкл Фарадей (1791 - Джеймс Клерк Максвелл 1867) - английский физик, химик, основоположник (1831 -1879) англ. физик и учения об электромагнит. астроном поле, член Лондонского королевского общества (1824).

Магнитное поле соленоида

3. Пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир. 4. Гравитационные и электромагнитные взаимодействия передаются с помощью поля со скоростью света; 5. Электрический заряд – мера электромагнитного взаимодействия, которое значительно сильнее гравитационного. Но теория не согласовывалась с дискретностью заряда, излучения; устойчивостью атомов и их спектрами; нерешена проблема соотношения поля и заряда и т. д.

III. КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА В 1900 г. М. Планк (1858 -1947) выдвинул гипотезу энергетических квантов. В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил фотоэффект с помощью идеи квантов энергии. Н. Бор создал квантовую модель строения атома. В 1927 г. Л. В. де Бройль провел опыты по рассеянию электронов на поверхности металла и установил факт дифракции ( огибание волнами препятствий) электронов от кристаллической решетки.

Планетарная модель атома Бора-Резерфорда Компьютерная модель атома бериллия.

Макс Карл Эрнст Людвиг Нильс Хенрик Давид Планк (нем. Max Karl Ernst Бор (датск. Niels Henrik Ludwig Planck; 1858 -1947) — David Bohr) (1885 -1962) - выдающийся немецкий физик. выдающийся датский Основатель квантовой теории физик, один из предопределил основное создателей современной направление развития физики. начала ХХ в.

Альбе рт Эйнште йн (нем. Луи де Бройль (фр. Louis- Albert Einstein) (1879 - Victor-Pierre-Raymond, 1892 - 1955) один из основателей 1987) — французский физик, современной Нобелевский лауреат, теоретической физики, пожизненный секретарь Нобелевский лауреат 1921 Французской Академии наук. г. , общественный деятель- Один из основоположников гуманист. квантовой механики.

Основные принципы теоретической физики: 1. П. суперпозиции позволяет получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. 2. П. неопределенности Гейзенберга: микрочастица не может иметь одновременно точной координаты и импульса, т. е. дуализм не позволяет провести одновременные точные измерения положения объекта и его импульса. 3. П. дополнительности Бора определил микрообъект не может одновременно быть и частицей, и волной.

IV. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ Системы – упорядоченные, структурированные, иерархически организованные природные объекты с горизонтальными (координационными) и вертикальными (субординационными) связями между элементами системы. Виды систем: открытые и закрытые, живая и неживая природа. В закрытых системах процессы протекают в направлении возрастания энтропии и установлению равновесного состояния.

Уровни материи (по размеру и массе): Микромир – область предельно малых, непосредственно не наблюдаемых материальных микрообъектов (10 -8 - 10 -16 см), время жизни – от бесконечности до 10 с: фундаментальные и -24 элементарные частицы, ядра, атом и молекулы. Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых с человеком и его физическими параметрами (мм, см, м и км), время – с, мин, ч, дни и года: макромолекулы, вещества в различных агрегатных состояниях, живые организмы, человек и продукты его деятельности.

Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, время – млн. и млрд. лет: звезды, галактики и их скопления. Парсек - расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 астрономической единице), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом одна угловая секунда (1″).

V. СТРУКТУРА МИКРОМИРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ К началу 30 -х г. ХХ в. открыты протон и фотон , в 1932 г. – нейтрон , в 1936 г. – первая античастица – позитрон (по массе = электрону, но с «+» зарядом). В 30 -50 г. г. открыто 32 элементарные частицы. В 60 -е г. > 200. В 70 -80 гг. - 350. Протоны и нейтроны - составные элементарные частицы. Электрон, нейтрино, фотон – фундаментальные элементарные частицы, а не несоставные.

Классификация элементарных частиц 1. По массе покоя: • фотоны не имеют массы покоя – движутся со скоростью света; • лептоны ( «лептос» - легкий) – электрон и нейтрино; • мезоны ( «мезос» - средний) – массой от 1 до 1000 масс электрона; • барионы ( «барос» - тяжелый) - протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы; все они с массой > 1000 масс электрона. 2. По типу физического взаимодействия: • адроны ( «адрос» - крупный, сильный) – в электромагнитном, сильном и слабом; • лептоны – в электромагнитном и слабом;

Атом гелия Излученные фотоны в когерентном луче лазера

3. Частицы-переносчики взаимодействий: • фотоны – переносчики электромагнитного; • глюоны - сильного; • бозоны - слабого. 4. По электрическому заряду: • отрицательные – электроны; • положительные – протон, позитрон; • нейтральные - нейтрон. 5. По времени жизни: • стабильные – фотон, нейтрино, протон существуют длительное время; • нестабильные – большинство элементарных частиц (10 -10 до 10 -24 с). • квазистабильные – резонансы распадаются при электромагнитном и слабом взаимодействии (10 - 24 до 10 -26 с);

Современные гигантские ускорители строятся вовсе не для того, чтобы провести всего лишь какой-то один опыт над элементарными частицами. В современном эксперименте изучается сразу всё, что может произойти с исходными частицами, фактически проводятся сразу десятки и сотни параллельных экспериментов. На этой фотографии показан момент установки одного из тысяч сверхпроводящих магнитов в туннеле коллайдера LHC. (Фото с сайта lhc-machine-outreach. web. cern. ch)

Гипотеза кварков (60 годы ХХ в): истинно элементарными частицами являются бесструктурные кварки (всего 6), имеющие дробный эл. заряд 1 /2 е или 2/3 е, в свободном виде не выделены. Из кварков состоят элементарные частицы, например: нуклон = 3 кварка; пион = кварк + антикварк Сложности изучения микромира: 1. Отсутствие наглядности. 2. Диалектика частей и целого (пион является частью протона, но его радиус совпадает с радиусом протона).

Виды кварков название англ. заряд масса Первое поколение d нижний down − 1/3 ~ 5 Мэ. В/c 2 u верхний up +2/3 ~ 3 Мэ. В/c 2 Второе поколение 95 ± 25 s странный strange − 1/3 Мэ. В/c 2 c очарованный charm +2/3 1, 8 Гэ. В/c 2 Третье поколение beauty b прелестный − 1/3 4, 5 Гэ. В/c 2 (bottom) t истинный truth (top) +2/3 171 Гэ. В/c 2

Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя шесть кварков, шесть лептонов, частицы-переносчики взаимодействий (фотон, глюон, W- и Z-бозоны), а также бозон Хиггса. Хиггсовский бозон — единственная в этой таблице не открытая до сих пор частица. (Рис. с сайта news. bbc. co. uk)

Почти вся масса любого атома сосредоточена в ядре, которое меньше атома в сто тысяч раз. Ядро сложено из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков. (Рис. с сайта www. star. bnl. gov)

VI. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Четыре типа фундаментальных взаимодействий 1. Гравитационное: • Основа - закон всемирного тяготения. • Наиболее слабое, распространяется со скоростью света 300 000 км/с с бесконечным радиусом действия. • Определяет структуру мегамира , скрепляя планеты, звезды, галактики в единую Вселенную. • Звезды на заключительном этапе своего развития ( черные дыры ) обладают аномально сильным гравитационным полем имеют огромную массу (2 солнечные) и плотность 10 94 г/см, а d всего 10 -20 км. Вблизи черных дыр наблюдается замедление времени и искривление пространства.

Вращающаяся чёрная дыра Белые и голубые диски – разогретые до больших температур газовые кольца вокруг дыры.

Столкновение чёрных дыр Видно, как под воздействием тяжёлой галактики искажается структура малой.

Чёрная дыра и звезда Чёрная дыра вытягивает вещество из соседней звезды

2. Слабые взаимодействия: • Регулируют распад тяжелых частиц в легкие. • Значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного. • Распространяются на небольшие расстояния, поэтому долгое время экспериментально не наблюдались. • Переносчики - бозоны.

3. Электромагнитные силы • Связывают атомы и молекулы, определяя облик макромира. • Только между заряженными частицами, универсальны, дальнодействующи , распространяются со скоростью света 300 000 км/с в вакууме и в любой не электропроводной среде. • Переносчики - фотоны. • Выражаются системой уравнений Максвелла и законом Кулона, который эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона (F = Q q 1 q 2 / R 2). Рис. Электрическое поле создается зарядами.

4. Сильные взаимодействия: • Обеспечивают связь ядер и ряда элементарных частиц. • Имеют очень ограниченный радиус действия – до 10 -13 см. • Ответственны за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. • По своей мощи превосходят все известные типы и служат источником огромной энергии. Например, термоядерные реакции на Солнце.

Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием. (Рис. с сайта www. nature. com) Чем дальше кварки удаляются друг от друга, тем сильнее становятся связывающие их силы (рис. с сайта nobelprize. org)

Схема реакции дейтерий-тритий Солнечная корона, запечатленная во время солнечного затмения 1999 года

Ядерные взрывы

VII. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ описывает законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света. 1. Пространство и время относительны. 2. В системе, движущейся со скоростью света все процессы замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются, события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него. 3. во всех системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друга одинаковы скорость света в вакууме и все законы природы.

Общая теория относительности - геометрическая теория, развивающая специальную (А. Энштейн, 1915 -1916). Суть: 1. Гравитационные эффекты обусловлены деформацией пространства-времени, связанной с присутствием массы-энергии, а не силовым взаимодействием тел и полей. Е = mс2, где Е – энергия, m – масса; с – скорость света. 2. Гравитация не силовое взаимодействие. 3. Уравнения Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в них материей.

VIII. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика (греч. Therme - тепло + Dynamis - сила) - раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. 1. Закон сохранения и превращения энергии: термодинамическая система может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии (перв. половина ХIХ в. нем. врач и физиолог Р. Майер, англ. Д. П. Джоуль и нем. врач и физиолог Г. Гельмгольц). Невозможность существования вечного двигателя 1 -го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Ю лиус Ро берт фон Ма йер (1814 -1878) - Джеймс Герман Людвиг немецкий врач и Прескотт Фердинанд фон естествоиспытатель Джоуль (1818 - Гельмгольц (1821 1889) - -1894) - немецкий английский физик, физиолог и физик. психолог.

2. Невозможно всю внутреннюю энергию системы превратить в полезную работу. «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).