Физика Эволюция физической картины мира Понятие научной

Физика Эволюция физической картины мира

Понятие научной картины мира n Научная программа (НП) включает в себя систему единых принципов и претендует на всеобщий охват и объяснение всех явлений. n НП определяет не только характеристику предмета исследования, но и возможность методов проверки заявленных принципов, без чего они не станут теорией. n Первые научные программы: n n сформировались в Древней Греции с VI по III в. до н. э. и надолго определили развитие науки. Виды первых НП: n Математическая - выросла из философии Пифагора и Платона n Континуальная - началась с Аристотеля, с его физической школы перипатетиков, и просуществовала до науки Нового времени n атомистическая – зарождается в философии Демокрита и Эпикура и начинает активно развиваться после XVII в n Научная картина мира (НКМ) — общая система представлений и понятий в процессе формирования естественнонаучных теорий 2

Эволюция представлений о материи n Корпускулярные представления n Мир состоит из элементарных частиц n Демокрит: атомы; n Ньютон – корпускулы; МАТЕРИЯ ≡ ВЕЩЕСТВО n Физика конца XIX в. – электроны, протоны и пр. n Квантовая физика – кванты энергии. n Континуальные представления n Материя делима бесконечно n Аристотелевская физика n Непрерывность поля (электродинамика) и энергии n Субстанциальная концепция n МАТЕРИЯ ≡ вещество + поле + физический вакуум 3

Структурные уровни организации материи n Характер физических законов существенно зависит от масштаба исследуемых явлений. n Принято выделять три уровня реальности: Микромир – это мир от атомов до элементарных частиц n Макромир – это мир объектов, соизмеримых с человеческим опытом. n Мегамир – мир объектов космического масштаба: планеты, звезды, галактики, Метагалактика. n 4

Микромир: n объекты микромира – атомные ядра и молекулы, атомы и элементарные частицы - очень малые микрообъекты, размеры которых от 10 -10 до 10 -18 м, а время жизни может быть до 10 -24 с. n В микромире законы движения тел определяются законам квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой хромодинамики. n Для микромира свойственен корпускулярноволновой дуализм, т. е. любой микрообъект обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. n Описание микромира опирается на принцип дополнительности Н. Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга. 5

Макромир: n к объектам макромира относят живую клетку, человека и соизмеримые с ним предметы. Размеры макрообъектов измеряются от долей миллиметра до сотен километров, а времена — от секунд до лет. n В макромире законы движения тел определяются классической механикой и электродинамикой. n Материя может пребывать как в виде вещества, так и в виде поля, причем вещество дискретно, а поле — непрерывно. Скорости распространения поля равны скорости света, максимальной из возможных скоростей, а скорости движения частиц вещества всегда меньше скорости света. 6

Мегамир: n планеты, Солнце, звезды, галактики и вся Вселенная в целом. Кроме них во Вселенной присутствуют материя в виде излучения и диффузная материя. Последняя может занимать огромные пространства в виде гигантских облаков газа и пыли — газопылевых туманностей. n Мегамир описывается законами классической механики с поправками, которые были внесены теорией относительности. В мегамире существенную роль играют эффекты СТО и ОТО, преобладающим взаимодействием является гравитационное. 7

Эволюция представлений о пространстве и времени n Субстанциальная концепция: пространство и время Ньютона — абсолютны: это модель независимо существующей субстанции, где могут перемещаться материальные тела и частицы света. Каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если они произошли в разные моменты времени. n Пространство обладает самостоятельным бытием; оно — субстанция, способная динамически действовать на материальные тела. n Гипотеза эфира: n свет должен распространяться в эфире (некоем веществе, заполняющем пространство) с постоянной скоростью, зависящей от «упругости» эфира, а скорость света, измеренная наблюдателем, должна зависеть от направления распространения света. n Опыт А. Майкельсона и Э. Морли: измерение скорости света «по эфирному ветру и против него» показал, что никакого эффекта, связанного с эфиром, нет. В СТО время и пространство объединяются в четырехмерное пространство-время. n Реляционная концепция: пространство и время А. Эйнштейна – атрибутивны: n При наличии в пространстве тяготеющих масс (т. е. и поля тяготения) пространство искривляется, становится неевклидовым. Движения тел в нем происходят по кратчайшему пути — по геодезическим линиям. 8 n Свойства пространства-времени определяются распределением и движением материи в пространстве. n

Эволюция представлений о пространстве и времени n Свойства пространства (представления Евклида, n n n использованные И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» ): однородность — нет выделенных точек пространства, параллельный перенос и поворот не изменяют вид законов природы; изотропность — в пространстве нет выделенных направлений, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы; непрерывность — между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья; трехмерность — каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел — координат; «евклидовость» — описывается геометрией Евклида, в которой, согласно пятому постулату, параллельные прямые не пересекаются и сумма внутренних углов треугольника равна 9 180°.

Эволюция представлений о пространстве и времени: Ньюновское абсолютное время n «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью» . Абсолютное время — идеальная мера длительности всех механических процессов. n Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов. Значит, и точка отсчета времени не имеет значения, она не меняет длительность. 10

Релятивистская физика А. Эйнштейна – реляционная концепция времени: n Пространственно-временной континуум (СТО) — новое средство характеристики физических явлений, используя которое для описания событий в природе нужно применять не два, а четыре числа: три измерения пространства дополняются четвертой координатой – временем, фиксирующим момент события. n Не имеет смысла деление мира на время и пространство, поскольку описание мира событий «посредством статической картины на фоне четырехмерного пространственно-временного континуума» более удобно и объективно. Измеренное значение времени оказалось зависимым от движения наблюдателей. Свойства пространства-времени (ОТО) зависят от распределения тяготеющих масс, и движение тел определяется кривизной пространства-времени. Но влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, так как меняется лишь частота при переходе между точками с разными гравитационными потенциалами. n 11

Физические картины мира: механическая n Создана трудами Галилея, Кеплера, Гюйгенса, Ньютона. n Галилей ввел экспериментальный метод. n Главная задача Ньютона – «синтез системы мира» , построение абсолютно достоверной математически обоснованной картины природы. n Законы механики Ньютона управляют движениями объектов: n (1) Закон инерции; (2) F = m ∙ a (3) (-) F = (+) F n Время и пространство у Ньютона — абсолютны. n Пространство трехмерно и евклидово. n Принцип дальнодействия: действия, в том числе сила тяготения, распространяются в пространстве с бесконечной скоростью и не меняют ход времени. n Время обратимо: можно было проанализировать прошлое и предсказать будущее динамическое (жестко детерминированное) состояние системы, так как замена знака времени в уравнениях Ньютона не оказывает влияния на движение. n Жесткий детерминизм: уравнения динамики Ньютона линейны; интенсивность следствия определяется интенсивностью причины. Поэтому все в мире предопределено, предзадано. n Редукционизм: сведение объяснительных моделей более высоких уровней 12 к простым (механике).

Физические картины мира: электромагнитная n основана на идее динамического атомизма, континуальном понимании материи и связанном с ним понятии близкодействия, которое внес М. Фарадей. n Вводится понятие физического поля (электрического и магнитного). n Гипотеза эфира: Максвелл написал для Британской энциклопедии статью «Эфир» , где были такие строки: «Несомненно, что межпланетное и межзвездное пространства не суть пространства пустые, но заняты материальной субстанцией или телом, самым обширным и, надо думать, самым однородным, какое только нам известно» (1879). n Опровержение гипотезы Майкельсоном и Морли. n Понятие «поле» отражает тот факт, что электрические и магнитные силы действуют с конечной скоростью на расстоянии, взаимно и непрерывно порождая друга. n Поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. 13

Релятивистская физика: СТО n Инерциальные системы отсчета n Постулаты: Скорость света – величина постоянная; с = 300 000 км/с. n скорость света в вакууме есть наибольшая возможная скорость в природе n Следствия n мир событий есть четырехмерный пространственновременной континуум n Масса тела, его размеры и хронометраж событий не являются абсолютными, а зависят от скорости тела: с увеличением относительной скорости происходит замедление времени, уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается их масса. n § Мысленный эксперимент: парадокс близнецов 14

Скорость света Распространение светового луча в масштабной модели Земля-Луна n скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или же 1 079 252 848, 8 км/ч. n В настоящее время подвергается сомнению постулат о максимальности скорости света 15

Релятивистская физика: ОТО n Свойства пространства-времени в ОТО зависят от распределения тяготеющих масс, и движение тел определяется кривизной пространства-времени. n Но влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, так как меняется лишь частота при переходе между точками с разными гравитационными потенциалами. 16

Экспериментальные подтверждения ОТО n а — искривление линии а n n б n n распространения света вблизи Солнца, предсказанное ОТО и подтвержденное наблюдениями (φ = 1, 75 угл. с); б — схема прецессии (поворот оси) орбиты Меркурия, объясняемая ОТО (иначе орбита представляла бы собой неподвижный эллипс); гравитационное замедление времени: любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся; гравитационное красное смещение; задержка сигнала в гравитационном поле и др. 17

Искривление светового луча в гравитационном поле Солнца 18

Квантово-полевая картина мира n отразила открытия, связанные со строением вещества и взаимосвязью вещества и энергии. n Квантованность (прерывность) энергии – энергия признается дискретной наравне с веществом. n Корпускулярно-волновой дуализм n Снятие противоречий в КПКМ: Принцип неопределенности В. Гейзенберга n Принцип дополнительности Н. Бора n 19

История квантовой теории n Белое тело отражает все падающее на него излучение. n Все реальные тела называют серыми. n К излучению черного тела близки поверхности звезд (Солнца) и сажа, а к белому — свежий снег. Проблема излучения абсолютно черного тела. n Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция; тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение и ничего не отражающее. n Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой. n Волновая теория света не объясняет, почему цвет испускаемого абсолютно черным телом излучения изменяется по мере нагревания (должно возникать 20 излучение всех частот сразу).

История квантовой теории n 1900 г. - М. Планк представляет идею дискретности энергии. n Квант (от лат. quantum — «сколько» ) — неделимая порция какой-либо величины в физике, применительно квантовой теории означает дискретность (порционность) энергии. Термин введен А. Эйнштейном. n Энергия при излучении меняется дискретными порциями, скачкообразно. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте волны, т. е. цвету излучаемого света: Е= hν, где ν – частота волны, а h – постоянная Планка (минимальный квант действия); h = 6, 626 ∙ 10 -27 гр*см*сек. 21

История квантовой теории: подтверждение гипотезы n 1905 г. , А. Эйнштейн: фотоэффект объяснение некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта — испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение – с помощью квантовой теории. n Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства. Корпускулярно-волновой дуализм 22

История квантовой теории: модели строения атома Атом Дж. Дальтона Модель атома «пудинг с изюмом» Томсона Модель атома «Сатурн» Нагаоки Квантовая гипотеза М. Планка Планетарная модель атома Э. Резерфорда Квантовая модель атома Н. Бора 23

История квантовой теории: модели атома 1. 2. 3. 4. 2. 4. 3. Модель атома Томсона (1902) Модель атома Нагаоки (1904) Модель атома Резерфорда (1911) Модель атома Н. Бора (1913) 4 24

Светящийся экран Опыт Резерфорда: открытие атомного ядра Источник α-частиц Золотая фольга 25

Опыт Резерфорда: открытие атомного ядра 26

Квантовая модель атома Н. Бора: n Первый постулат: Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е 1, Е 2. . . En. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов. n Второй постулат: В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам n Третий постулат: Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается квант энергии, равный разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход. Выводы, основанные на постулатах Бора, хорошо согласуются с экспериментом. Например, объясняют закономерности в спектре атома водорода, происхождение характеристических спектров рентгеновских 27 лучей и т. д.

История квантовой теории n 1924 г. – Луи де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: n если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. n 1926 г. – волновая механика Э. Шредингера n математическое описание материи в терминах волновой функции. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории n 1926 г. – матричная механика В. Гейзенберга n Матричная и волновая механики легли в основу квантовой механики, противоречия в которой были сняты посредством введения нескольких принципов. 28

История квантовой теории: Копенгагенская интерпретация Δp ∙Δx ≥ h p = m ∙v Принципы квантовой механики: n Принцип неопределенности В. Гейзенберга - это теоретический предел точности любых измерений n Невозможно одновременное описание наблюдаемых сопряженных величин; предел уменьшения неопределенностей – минимальный квант действия. n Принцип дополнительности Н. Бора: n для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих ( «дополнительных» ) набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных; 29

Мир субатомных частиц: история открытий Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Ряд эл. частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. фундаментальные частицы – бесструктурные первичные частицы вещества (лептоны и кварки). n 1895 - Открытие В. Рентгеном излучения, названного его именем n n n (рентгеновские лучи). 1896 - А. Беккерель открыл естественную радиоактивность урана. 1897 - Дж. Томсон и Э. Вихерт открыли электрон. 1919 – Э. Резерфорд доказал наличие в ядрах элементов протонов (экспериментальное подтверждение – 1925 г. ) 1920 - Э. Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании нейтрона. 1930 - В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино. Строительство циклотрона. 1932 - Протонно-нейтронная гипотеза строения ядер (В. Гейзенберг, Д. Д. 30 Иваненко).

Мир субатомных частиц: история открытий n 1933 - Э. Ферми разработал теорию бета-распада. Открытие образования электрона и позитрона из гамма-кванта. Открытие электронно-позитронных ливней в космических лучах. Э. Ферми и Ф. Перрен пришли к выводу, что масса нейтрино равна нулю. Открытие аннигиляции электронов и позитронов. n 1935 - X. Юкава постулировал существование сильно взаимодействующего кванта ядерного поля (мезона) – частицы, осуществляющей взаимодействие между нуклонами (мезонная теория ядерных сил). Дж. Чэдвик и М. Гольдхабер получили значение массы нейтрона и предсказали его бета-распад на протон, электрон и нейтрино. n 1939 - Введение термина нуклон. n 1944 - 1945 - В. И. Векслер открыл новый принцип ускорения частиц – принцип автофазировки, который лег в основу создания новых ускорителей заряженных частиц – фазотрона, синхротрона, синхрофазотрона, микротрона ( запущены впервые в 1946 -47 гг. ). 31

Мир субатомных частиц: история открытий n 1948 - 1949 - Выдвинута гипотеза о существовании универсального слабого взаимодействия и кванта этого взаимодействия – W+ бозона. Экспериментальное обнаружение бета-распада нейтрона. n 1953 - 1954 - Введено понятие “странности” и открыт закон сохранения странности (М. Гелл-Манн, К. Нишиджима). Выработана современная терминология элементарных частиц (барионы, гипероны, лептоны) и символика. n 1956 - В. И. Векслер предложил новый способ ускорения частиц движущейся плазмой. М. Гольдхабер разработал схему классификации элементарных частиц. Открыт антинейтрон. n 1962 - Экспериментально доказано существование двух типов нейтрино – электронного и мюонного. n 1964 - Выдвинута гипотеза кварков (М. Гелл-Манн, Дж. Цвейг). 32

Характеристики элементарных частиц n Масса — это масса покоя. Определяется по отношению к массе n n покоя электрона те. Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-» . Кварки имеют дробный заряд. Спин – собственный момент импульса частицы. Спин фотона равен 1 (частица примет тот же вид после полного оборота на 360°). Частица со спином — 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона — 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т. д. Частица с нулевым спином одинаково выглядит при любом угле поворота. Среднее время жизни Магнитный момент Пространственная четность Барионный заряд Квантовое число — численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т. д. ), характеризующее состояние частицы: n радиальное (главное) (nr), орбитальное (l) и магнитное 33 (m) квантовые числа электрона в атоме и т. д.

Классификация элементарных частиц по величине спина Элементарные частицы Фермионы (с полуцелым спином) - Электрон - Протон -Нейтрино Бозоны (с целым спином) -Фотон - Глюон -Мезон 34

Фермионы n Для всех известных элементарных фермионов спин равен ½. n Каждый фермион имеет свою собственную античастицу. n Фермионы являются базовыми кирпичиками всей материи. n Они классифицируются по своему участию в сильном взаимодействии. Выделяют 12 ароматов элементарных фермионов: шесть кварков и шесть лептонов. n Первое поколение: n n n Второе поколение: n n n Электрон: e− Электронное нейтрино: νe u-кварк ( «верхний» ): u d-кварк ( «нижний» ): d Мюон: μ− Мюонное нейтрино: νμ c-кварк ( «очарованный» ): c s-кварк ( «странный» ): s Третье поколение: n n Тау-лептон: τ− Тау-нейтрино: ντ t-кварк ( «истинный» ): t b-кварк ( «прелестный» ): b 35

Элементарные частицы Барионы (масса более 1000 me) -Протоны - нейтроны - гипероны - пр. Мезоны (масса от 1 до 1000 me) Классификация элементарных частиц по массе Лептоны -Электрон - Нейтрино 36

Элементарные частицы По участию в физических взаимодействиях Адроны (участв. во всех взаимодействиях) -Мезоны - Барионы Лептоны (не участвуют в сильных взаимодействиях) Калибровочные бозоны (посредством них Осуществляются взаимодействия) -Фотоны -Глюоны -Гравитоны -Промежуточные векторные бозоны 37

Кварки n n n Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны. Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» . Само слово «quark» предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами. Существует шесть сортов ( «ароматов» ) кварков: С зарядом +2/3 n u-кварк (Up-кварк) / анти u-кварк n c-кварк (Charm-кварк) / анти c-кварк n t-кварк (Top-кварк) / анти t-кварк С зарядом − 1/3 n d-кварк (Down-кварк) / анти d-кварк n s-кварк (Strange-кварк) / анти s-кварк n b-кварк (Bottom-кварк) / анти b-кварк Кроме того, вводится дополнительная внутренняя характеристика – «цвет» : сильное взаимодействие вызывает притяжение либо двух частиц с противоположным цветом (цвет и антицвет), либо трех частиц с определенной комбинацией цветов, которая в сумме дает «белый» цвет. Из-за такой аналогии с восприятием цвета и был выбран такой термин. 38

Лептоны n Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны. n Существуют лептоны шести ароматов: n n С электрическим зарядом − 1 / +1: n Электрон / Позитрон n Мюон n Тау-лептон С электрическим зарядом 0: n Электронное нейтрино / Электронное антинейтрино n Мюонное нейтрино / Мюонное антинейтрино n Тау нейтрино / Тау антинейтрино 39

Фундаментальные физические взаимодействия (силы в природе) n Связь между объектами в целостной системе более упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из элементов с элементами из внешней среды. Чтобы разрушить систему, выделить из системы тот или иной элемент, нужно приложить к ней определенную энергию. Эта энергия имеет разную величину и зависит от типа взаимодействия между элементами системы. n Мегамир: взаимодействия обеспечиваются гравитацией. n Макромир – гравитация и электромагнитное взаимодействие (оно становится основным как более сильное). n Микромир - сильное ядерное взаимодействие, обеспечивающее целостность атомных ядер. n При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей становится сравнимой с собственной энергией частиц — слабое ядерное взаимодействие обеспечивает их целостность. 40

Фундаментальные физические взаимодействия (силы в природе) Гравитация и электромагнетизм — дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную. Сильные и слабые ядерные взаимодействия — короткодействующие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра, т. е. в областях порядка 10 -14 м. n Согласно ОТО, гравитация — это проявление искривления пространства-времени. Частица-переносчик – гравитон. Гравитационное взаимодействие отвечает за стабильность космических тел и систем. n Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими и магнитными зарядами; переносится фотонами. Электромагнитные взаимодействия определяют структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за связи между молекулами, т. е. за химические и биологические явления. 41

Фундаментальные физические взаимодействия (силы в природе) n Слабое ядерное взаимодействие ответственно за многие процессы, обуславливающие некоторые виды ядерных распадов элементарных частиц (например, β-распад — превращение нейтронов в протоны) с радиусом действия почти точечным: около 10 -18 м. Частица-переносчик – слабый бозон. Слабое взаимодействие вызывает множество превращений. Сверхновые звезды — один из немногих случаев наблюдаемого слабого взаимодействия. n Сильное ядерное взаимодействие препятствует распаду атомных ядер (электромагнитное взаимодействие привело бы к отталкиванию протонов друг от друга). Оно связывает между собой кварки. С ним связаны энергия, выделяемая Солнцем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. Самое сильное — короткодействующее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на 2 порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационное меньше сильного на 39 порядков. Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени не ясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. 42 Гипотеза суперсилы и суперсимметрии.