Физическая картина мира Материя Классификация элементарных частиц

Физическая картина мира Материя

Классификация элементарных частиц Фундаментальные (истинно элементарные) частицы Фермионы (частицы вещества с полуцелым спином: ½ или 3/2) Кварки u (up) d (down) c (charm) s (strange) t (truth) b (bottom) Лептоны электронное нейтрино мюонное нейтрино тау-лептон тау-нейтрино Бозоны (частицы полей с нулевым или целым спином: 0, 1, 2) – переносчики фундаментальных взаимодействий Фотоны W- и Z- бозоны глюон гравитон

Адроны – составные элементарные частицы Адроны (комбинации кварков) Барионы (комбинация 3 -х кварков): протон: 2 u + 1 d; нейтрон: 2 d + 1 u; гипероны (лямбда, сигма, кси, омега) Мезоны (комбинация «кварк-антикварк» ): пи-мезоны (π0 –мезоны и π+-мезоны); ка-мезоны (k 0 - мезоны и k+-мезоны); эта-нуль-мезон (η 0 -мезоны)

Корпускулярно-волновой дуализм В основе лежит идея квантования физических величин. Понятие «квант» введено М. Планком в 1900 г для квантов излучения. ε = hυ (1) h – постоянная Планка, 6, 626∙ 10 -34, υ – частота/ Для фотонов (квантов электромагнитного излучения): ε = mc 2 (2) – уравнение Эйнштейна Откуда: hυ = mc 2 (3). При υ = 2π ∙ с/λ, уравнение (3) принимает вид: ε = hс/λ (4). Вывод: энергия кванта света (фотона) прямо пропорциональна частоте (из ур-ия (1)) и обратно пропорциональна длине волны (из ур-ия (4)): квант фиолетового цвета (λ=400 нм) – ε = 299 к. Дж квант красного цвета (λ=750 нм) – ε = 149 к. Дж

Корпускулярно-волновой дуализм Доказательства корпускулярных свойств излучения: - фотоэффект (1889 г. , А. Г. Столетов); - эффект Комптона (1923 г. , Комптон). Доказательства волновых свойств корпускул: - дифракция пучка электронов (1927 г. , К. Девиссон, Л. Джермер), пучка нейтронов, атомов гелия, молекул водорода; - интерференция пучка электронов (1961 г. , К. Йенсен).

Взаимосвязь между корпускулярными и волновыми характеристиками – через постоянную Планка λ = h / p – формула де Бройля – постоянная Планка, p - импульс Для фотонов: импульс р = mc (1), где m – «масса движения» , с – скорость света длина волны λ = 2π∙h / p (2) или λ = 2π∙(h / mc), откуда m = 2π∙(h / λ c). Вывод: чем меньше длина волны, тем больше «масса движения» , т. е. сильнее проявляются корпускулярные свойства (подтверждается наличием «красной границы» фотоэффекта).

Взаимосвязь между корпускулярными и волновыми характеристиками – через постоянную Планка Для корпускул: импульс р = mv (1), где m – масса покоя, v – скорость длина волны λ = h / (mv) – дебройлерская волна. Вывод: чем меньше масса, тем сильнее проявляются волновые свойства Для электрона при обычной скорости 106 м/с: λ = 6, 626∙ 10 -34 / (9, 109∙ 10 -31∙ 106) = 0, 72 нм Для объектов большей массы λ исчезающе мала. Например для теннисного мяча, летящего со скоростью 25 м/с, λ = 10 -34 м, т. е. меньше размера атома, поэтому не может быть обнаружена, и объект кажется не дрожащим, а постоянным.

Соотношения неопределенностей (как следствие корпускулярно-волнового дуализма) Соотношение неопределенностей Для энергии: ΔE ∙ Δt > h, где Δt – неопределенность времени жизни микрообъекта, ΔE неопределенность его энергии (объясняет туннельный эффект, т. е. возможность подбарьерного прохождения микрообъектов; например α-распад атомных ядер) Для проекций импульса: ΔPx ∙ Δx > h ΔPy ∙ Δy > h ΔPz ∙ Δz > h где Δ(i) – неопределенность i-ой координаты микрообъекта, ΔРi неопределенность i-ой проекции его импульса (объясняет стабильность атомов (почему электрон не падает на ядро)

Соотношения неопределенностей (пояснение) Если объект нестабилен, т. е. имеет определенное время жизни Δt в рассматриваемом состоянии, то энергия имеет неопределенность, связанную со временем жизни ΔЕ > h/ Δt – чем меньше время жизни, тем больше погрешность ΔЕ. При Δt → 0, ΔЕ → ∞. Если объект стационарен, т. е. Δt сколь угодно велико, то энергия микрообъекта будет точно определенной: При Δt → ∞, ΔЕ > h/ Δt → 0. Если объект локализован в некоторой определенной точке х, то х – проекция его импульса должна иметь сколь угодно большую неопределенность: ΔРх > h/ Δх, при Δх → 0, ΔРх → ∞. Если объект находится в состоянии с определенным значением Рх, то он будет делокализован по всей оси х: Δх > h/ ΔРх , при ΔРх → 0, Δx → ∞.

Физическая картина мира Фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия Вид Взаимодействую щие частицы Гравитационное все тела Электромагнитное заряженные частицы (лептоны (е)) адроны (протоны) Слабое ядерное Характер силы между аналог. частицами Механизм взаимодейств ия Радиус действия (см) ∞ 10 -13 -1013 притягивающая обмен гравитонами отталкивающая обмен фотонами (квантами) ∞ Не ограничен адроны (все) лептоны (все) отталкивающая обмен векторными бозонами 10 -15 -10 -18 (10 -18) Сильное ядерное адроны отталкивающая обмен глюонами 10 -13 -10 -15 (10 -15) Цветовое кварки отталкивающая обмен глюонами <10 -18 (от ядра до Вселенной)

Фундаментальные взаимодействия Вид Гравитационное Относительная интенсивность 10 -38 -10 -40 (обратно-проп. расстоянию) Характерное время протекания (с) 1016 с (300 млн. лет) еограниченно Электромагнитное 1/137=7, 3∙ 10 -3 (Кулоновская сила) ~10 -2 (обратно-проп. расстоянию) 10 -21 -10 -19 Слабое ядерное 10 -10 -10 -14 (10 -14) Константа взаимодействия ~10 -13 -10 -10 (10 -9) Сильное ядерное 1 Пропорциональна расстоянию (усиливается с увеличением, ослабляет с уменьшением) Константа взаимодействия = 1 10 -23 -10 -24 Цветовое Асимптотическая свобода: неоднозначно – зависимость от расстояния: с увеличением расстояния – возрастает, с уменьшением – ослабляется (как бы связаны резиновой лентой определенной длины)

Фундаментальные взаимодействия Вид Место действия Видимое проявление Гравитационное Взаимодействие между всеми материальными телами Движения планет; падение тел в поле притяжения Земли Электромагнитное Обеспечивает существование атомов за счет электромагнитного взаимодействия между электронами и протонами ядра; взаимодействие между атомами и молекулами Электромагнитные волны различной энергии (молнии, полярные сияния); явления трения; упругость; различные агрегатные состояния и другие межмолекулярные взаимодействия Слабое ядерное Некоторые кратковременные ядерные процессы (β-распад, многие распады элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом) Вспышки сверх новой звезды за счет кратковременного испускания огромного количества нейтрино при коллапсе ядра старой звезды Сильное ядерное Удерживает протоны ядра, не давая им разлетаться под действием электростатического отталкивания Высвобождение этой энергии при термоядерных реакциях в недрах звезд; α- радиоактивность Цветовое Обеспечивает существование адронов Распад мезонов

Законы сохранения как следствие свойств пространства и времени Свойство Операция, относительно которой проявляется закон ОДНОРОДНОСТЬ ВРЕМЕНИ (физическая эквивалентность всех моментов времени, т. е. независимость протекания физических процессов от выбора того или иного момента в качестве начала отсчета; равноправие всех моментов времени) Изменение начала отсчета времени ОДНОРОДНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА (физическая эквивалентность всех точек пространства; равноправие всех точек пространства Сдвиг начала координат вдоль какой-либо оси; параллельный перенос в пространстве ИЗОТРОПНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА (одинаковость, эквивалентность свойств пространства во всех направлениях; равноправие всех направлений в пространстве) Поворот системы координат вокруг какойлибо оси; трехмерное пространственное вращение

Законы сохранения как следствие свойств пространства и времени Свойство Вид симметрии Закон сохранения ОДНОРОДНОСТЬ ВРЕМЕНИ Сдвиговая временная Закон сохранения энергии ОДНОРОДНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА Трансляционная Закон сохранения импульса ИЗОТРОПНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА Поворотная, осевая, вращательная Закон сохранения момента импульса

Физическая картина мира Вселенная

Модели Вселенной Аристотель: шаровидная, неоднородная Ньютон: безграничная, бесконечная, однородная, неизменная Эйнштейн: сферическая, однородная, стационарная Фридман: нестационарная, несколько моделей в зависимости от кривизны пространства и времени (k) и средней плотности вещества во Вселенной (ρср) и соотношения с критической плотностью ρср = 10 -26 г/см 3.

Модели Вселенной Кривиз Тип на Форма модел простра Вселенн и нстваой времени Откры k=0 тая k<0 Закры тая k>0 Плоская Радиу скривизны (динамика изменения) Условие реализации модели Радиус монотонно Седловид растет из точки или конечного объема – ная бесконечно расширяется ρср=ρкр Сфера ρср>ρкр Под действием силы гравитации расширение сменится сжатием ρср<ρкр

Эволюция Вселенной после «Большого взрыва» Модели Возраст (годы) Закрытая Радиус, Плотность, св. год г/см 3 Открытая Радиус, Плотность, св. год г/см 3 1014 1020 10 -35 1012 10 -25 1017 1022 10 -55 1015 10 -50 1018 1026 10 -60 1017 10 -55 Основные процессы Коллапс звезд Потеря звездами планет «Испарение Галактик» образование в них ядра ( «черной дыры» )

Эволюция Вселенной после «Большого взрыва» Модели Возраст (годы) 1020 -1030 Закрытая Открытая Радиус, Плотность, Основные процессы св. год г/см 3 10 -65 0 1032 «время жизни протона» 1030 -1032 1030 10 -70 10 -90 Распад всех протонов. Останутся только электроны, позитроны, нейтрино и фотоны малой энергии +∞ Коллапс Вселенной. Черные дыры поглотят звездное вещество и сольются в одну – «свертывание пространства» 1025 Распад протонов и нагрев за счет этого звезд (покинувших галактику) 1030

Эволюция Вселенной после «Большого взрыва» Модели Возраст (годы) 10100 Закрытая Радиус, св. год Плотность, г/см 3 Новый взрыв и эволюция Открытая Радиус, св. год Плотность, г/см 3 1090 10 -220 Основные процессы Квантовое испарение «черных дыр» (бывших галактик). Они исчезают, т. к. отдают всю энергию, связанную с массой. Вселенная переходит от структурной составляющей к однородному, в котором будут следующие частицы: электроны, позитроны, нейтрино, фотоны малой и большой энергии. Может быть новый виток эволюции - переход к структурированной Вселенной

Глобальные естественнонаучные революции

Глобальные ЕН революции № ЕНР Картины (модели) мира 1 «Аристотелевская» Аристотель (384 -322 г. до н. э. ) Птолемей (150 г. н. э. ) Геоцентрическая: абсолютный покой Земли и вращение вокруг нее небесных сфер 2 «Ньютоновская» или «постаристотелевская» Платон (III в. до н. э. ), Ник. Коперник (1543 г), Галилео Галилей (1564 -1642), Исаак Ньютон (1643 -1727) Гелиоцентрическая (механическая картина мира) – собственное вращение земли и ее орбитальное движение в абсолютно неподвижном мировом пространстве 3 «Эйнштейновская» или «постньютоновская» Альберт Эйнштейн (1915), 1905 – СТО, 1915 – ОТО; А. Фридман (1922) Полицентрическая (релятивистская): отсутствие единого центра мира, существование множества звездных систем и галактик (Дж. Бруно – 1548 -1600 – о множестве миров (сожжен инквизицией 17. 02. 1600 в Риме) 4 «Постэйнштейновская» (современная) А. Фридман (1922), Эдвин Хаббл (1929), Герман Хакен и Илья Пригожин (1960 -1970), Е. П. Левитан (1994) Модель эволюционирующей Вселенной

Глобальные ЕН революции № Революционная сущность 1 Видимая полусфера неба дополнена невидимой до полной сферы. Земля стала считаться круглой 2 «Коперник остановил Солнце и двинул Землю» (отказ от представления об абсолютом покое Земли) 3 Признание существования множества миров; признание относительного характера пространства и времени и зависимости их свойств от материальных тел 4 Признание структурной неисчерпаемости Вселенной (как следствие СТО) – «электрон так же неисчерпаем, как атом. Основа неисчерпаемости – неразрывная связь Вселенной со свойствами микромира. Признание эволюционной Вселенной

Глобальные ЕН революции № Доказательства и экспериментальные подтверждения 1 Доказательства Аристотеля: круглая форма земной тени, надвигающейся на диск Луны при лунном затмении. Подтверждены в XV-XVII в. в. Н. э. – при кругосветных путешествиях 2 1729 – открытие аберрации света – смещение наблюдаемых звезд в результате годичного орбитального движения Земли. 1851 – опыты Фуко – изменение плоскости качания маятника в результате суточного вращения Земли вокруг ее полярной оси 3 1929, Э. Хаббл – открытие «красного смещения» (спектры поглощения дальних Галактик сдвинуты в длинноволновую область – этот эффект Доплера наблюдается при удалении объекта ) – вывод об удалении галактик ( «разбегании» ) является доказательством расширения Вселенной 4 Открытие сложного строения частиц, ранее считавшихся элементарными. 1965 – открытие «реликтового излучения» , как доказательство возникновения Вселенной из первоначального сингулярного состояния (сверхплотного и сверхгорячего).