Методическое пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания» содержит разделы: введение в дисциплину; фундаментальное строение материи (раздел общей темы «Физическая картина мира»); вопросы по теме двух уровней сложности.

Вид материала

Методическое пособие

Содержание Две культуры

Подобный материал:

• Экзаменационные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания» Структура, 33.61kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Темы рефератов по дисциплине «концепции современного естествознания», 17.43kb.
• Контрольная работа по дисциплине «Концепции современного естествознания» Для студентов, 68.16kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Антропологи я, 1472.67kb.
• И. А. Кудрова вопросы к зачету по дисциплине «Концепции современного естествознания», 29.77kb.
• Темы рефератов по дисциплине «Концепции современного естествознания», 35.7kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.

²⁵ Интересно отметить, что, согласно теории, самая легкая из суперчастиц может быть стабильной. Выдвигается предположение, что именно эти частицы могут вносить существенный вклад в так называемую «темную материю», которая составляет от 90 % до 99 % от общей массы Вселенной.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. Супергравитация создает основу для полного объединения, в рамках которого весь мир управляется единственной суперсилой, которая предстает перед нами в разных обличиях: то, как электромагнитное взаимодействие, переносимое фотонами, то, как сильное взаимодействие, переносимое глюонами, и т. д. При этом все взаимодействия, которые фактически являются различными ипостасями единой сущности, связаны между собой суперсимметрией. Но супергравитация выходит и за эти рамки: объединяя бозоны и фермионы, она дает единое описание взаимодействия и вещества, а не только различных видов взаимодействий.

Само существование всех известных взаимодействий оказывается следствием некоторых имеющихся в Природе симметрий, наличие которых указывает на проявление скрытой геометрии. Чрезвычайно плодотворной оказалась идея описания взаимодействий с привлечением дополнительных, или, как их еще называют, внутренних пространств. Взаимодействия вводятся путем присоединения к нашему четырехмерному пространству-времени дополнительных пространственных измерений. Причиной того, почему эти дополнительные пространственные измерения ускользают от нашего наблюдения, является их компактифакция – дополнительные пространства свернуты в очень малых масштабах (порядка планковских).²⁶

Таким образом, все силы природы рассматриваются как проявление структуры пространства-времени, т.е. скрытой геометрии. Современная физика вплотную подошла к реализации идеи геометризации природы.

До сих пор все рассматриваемые модели исходили из предположения, что основа фундаментального строения материи – это частицы (истинно элементарные частицы как не обладающие внутренней структурой считаются точечными объектами). При этом даже поля, описывающие силы природы, получают интерпретацию с помощью частиц – переносчиков взаимодействий. Так, Стандартная модель²⁷ элементарных частиц и взаимодействий рассматривает в качестве основных элементарных частиц: фундаментальные фермионы (кварки и лептоны) и фундаментальные векторные бозоны (фотон, W⁺-, W ^-, Z⁰-бозоны и глюоны). Обнаружение фундаментальных частиц и их экспериментальное исследование является главной целью физики высоких энергий.

Теперь этому фундаментальному предположению брошен вызов: возникли и успешно развиваются теории, в основе которых лежит идея о том, что мир состоит не из частиц, а струн. Фундаментальная структура Вселенной связывается теперь с протяженными объектами – суперсимметричными струнами, которые обладают бозон-фермионной симметрией. Концы струн могут быть либо свободны (открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Характерные размеры струн порядка 10^-35 м (планковская длина) или на несколько порядков больше. Во всяком случае, минимальные расстояния, доступные современным ускорителям, не превышают 10^-18 м, что объясняет, почему в экспериментах не проявляется «струнная» природа фундаментальных объектов и соответственно, почему приближение точечных частиц обычной квантовой теории оказываются столь успешным.

В настоящее время разработаны пять различных непротиворечивых теорий суперструн. Все эти теории требуют, чтобы пространство-время было десятимерным (девять пространственных измерений и одно временное). Переход к нашему четырехмерному пространству-времени означает, что шесть лишних пространственных измерений каким-то образом скручиваются (компактифицируются) до размеров, сравнимых с масштабом, характерным для струн. ²⁸

Понимание того, как «скрытые» измерения влияют на четырехмерный мир,  одно из важнейших достижений современной теоретической физики. «Струнные» описания существенны при высоких энергиях (область квантовой гравитации). При доступных нам малых энергиях теории суперструн можно «перевести на язык» четырехмерного пространства-времени и «живущих» в нем элементарных частиц.

Самым последним достижением в этой области является идея о существовании всеобъемлющей «М-теории», которая не просто включает, а особым образом «порождает» все прочие супертеории, тем самым полностью оправдывая свое происхождение от слова «mystery».


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Физика элементарных частиц не имеет себе равных среди других видов человеческой деятельности. На протяжении двух с половиной тысячелетий ученые стремилось найти изначальные «кирпичики» мироздания. История современных «претендентов» на эту роль, начавшаяся открытием электрона (Дж. Томсон, 1897 г.), получила бурное продолжение уже во второй половине двадцатого столетия, благодаря развитию физики высоких энергий. Достаточно напомнить, что восемь из шестнадцати фундаментальных элементарных частиц (c-, b-, t-кварки, -лептон и его нейтрино, W⁺,W^-, Z⁰ промежуточные бозоны и глюон) были открыты после 1970 г.²⁹.

На фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц ежегодно тратятся сотни и сотни миллионов долларов. Строительство ускорителей нового поколения, позволяющих получать энергии (порядка и более 10 ТэВ), становятся под силу только объединенным усилиям многих стран.³⁰ Затраты на физику высоких энергий часто сравнивают с затратами на детей: без детей немыслимо будущее человечества, без физики элементарных частиц немыслимо будущее науки.

Физика, как правило, опережает технологию примерно на пятьдесят лет. История физики учит, что каждый новый успешный шаг на пути познания фундаментальных закономерностей природы всегда приводил к огромным (и почти всегда неожиданным) изменениям в технике и радикальным образом сказывается на жизни всего человечества. Создатель теории электромагнетизма Максвелл, безусловно, не мог предвидеть успехи современных телекоммуникаций и электроники, а родоначальник ядерной физики Резерфорд прямо заявлял, что ядерная энергия вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение. Можно ли предсказать, к чему способно привести развитие физики элементарных частиц, какие новые открытия и неведомые ранее технологии ожидают человечество?

Но не прикладные аспекты определяют главную ценность физики элементарных частиц. Даже, если окажется, что физика высоких энергий ничего не даст для практики, ее значение по-прежнему останется определяющим. Исключительная роль этой науки связана с тем, что она является фундаментом всего естествознания. Без физики элементарных частиц невозможно понять основные процессы, идущие в Природе, невозможно понять прошлое и прогнозировать будущее нашей Вселенной. По словам П. Девиса, достижения современной физики служат свидетельством проявления человеческого духа, без которого мы были бы обречены в нашем излишне материальном и прагматичном мире. Уровень этой науки определяет уровень понимания всего окружающего нас мира и степень интеллектуальной зрелости человечества.

ВОПРОСЫ

по теме «Физическая картина мира»


Вопросы первого уровня

(для подготовки к зачету и экзамену по дисциплине

«Концепции современного естествознания»)

1. Что понимают под гуманитарной и научно-технической культурами?
   
2. Что такое естествознание? Назовите естественно-научные дисциплины.
   
3. Что такое научный метод? Какова роль опыта в познании окружающего нас мира?
   
4. Сформулируйте принцип соответствия Нильса Бора?
   
5. Понятие события в физике.
   
6. Пространственный и временной диапазоны в нашей Вселенной. Микро, макро и мегамиры.
   
7. Какие объекты нашей Вселенной принято относить: к макромиру, к микромиру, к мегамиру?
   
8. Что такое фундаментальные постоянные с и h и какова их роль? Какова максимальная скорость передачи информации в нашем мире?
   
9. По какому принципу физику делят на релятивистскую и нерелятивистскую (ньютоновскую)?
   
10. Объекты изучения в классической и в квантовой физике.
    
11. Что такое квантовая лестница природы? Какие энергии характерны для ядерной, атомной и молекулярной ступеней?
    
12. Как молекулярно-кинетическая теория объясняет существование трех агрегатных состояний вещества?
    
13. Расскажите об экспериментах, в которых было обнаружено 1) атомное (молекулярное) строение вещества; 2) внутренняя структура атомов; 3) внутренняя структура ядер.
    
14. Состав атомного ядра. Что обозначают символы А и Z в записи _ZX^A?
    
15. Что такое нуклоны? Чем протон отличается от нейтрона?
    
16. Что такое дефект масс и энергия связи ядра?
    
17. Какими свойствами обладают нейтрино?
    
18. Что такое античастицы? Чем отличается позитрон от электрона? Протон от антипротона? Почему в обычных условиях мы не встречаемся с антивеществом?
    
19. Какой смысл вкладывается в понятие элементарной частицы? Какие частицы считались элементарными на разных этапах развития науки?
    
20. Что означают названия лептоны, барионы, мезоны, адроны?
    
21. Назовите основные характеристики элементарных частиц. Какие стабильные частицы Вам известны?
    
22. Что такое лептонное и барионное числа (заряды)? Для чего они вводятся?
    
23. Что такое фермионы и бозоны?
    
24. Сколько частиц входит в семейство лептонов? Назовите их.
    
25. Что такое кварки? Сколько кварков и антикварков существует в природе? Назовите их.
    
26. Кварковый состав протона и нейтрона.
    
27. Фундаментальные взаимодействия, их роль в природе.
    
28. Характеристики фундаментальных взаимодействий.
    
29. Сделайте «шпаргалку» (краткую) по теме: фундаментальное строение материи.
    

Вопросы второго уровня*³¹

1. Как Вы думаете, каковы причины разделения культуры на гуманитарную и научно-техническую, возможно ли их объединение?
   
2. Почему физику считают главной среди фундаметальных естественных наук?
   
3. Почему математика не относится к научно-естественным дисциплинам? Какова роль математики в познании окружающего мира?
   
4. Существует ли преемственность в науке? Ответ обоснуйте.
   
5. Приведите самостоятельные примеры, иллюстрирующие «словарный запас» различных наук.
   
6. Понятие события в физике. Какие события можно отнести к микромиру?
   
7. Каковы минимальные и максимальные пространственные и временные интервалы в природе? Что такое планковская длина и планковский интервал времени?
   
8. Какую роль играют фундаментальные постоянные с и h? Сохранятся ли причинно-следственные связи в мире, в котором скорость передачи информации ничем не ограничена?
   
9. Какой критерий лежит в основе деления объектов на квантовые и классические? Почему процесс измерения неизбежно вносит возмущение в наблюдаемый микрообъект? В чем принципиальное различие опыта в классической и квантовой физике?
   
10. Подумайте, почему из существования минимального кванта действия непосредственно следует представление о квантовании (дискретности) энергии? (Обратите внимание на размерность постоянной Планка [h]_СИ = Джс).
    
11. Какие энергии характерны для молекулярной, атомной и ядерной ступенек квантовой лестницы. Каким температурам они соответствуют?
    
12. Современные эксперименты в области элементарных частиц проводятся при энергиях порядка и больше 1 ТэВ. Какой температуре соответствуют эти энергии? Сравните с температурой Солнца.
    
13. Найдите названия элементов: ₁X², ₁X³, ₂X⁴, ₁₂X¹⁴, ₂₆X⁵⁶, ₉₂X²³⁵, ₉₂X²³⁸.
    
14. Используя рис. 2, определите, какая энергия выделится при делении ядра с массовым числом А=240 на два равные осколка.
    
15. Как можно объяснить нестабильность тяжелых ядер? За счет чего происходит выигрыш в энергии при их делении?
    
16. Сколько стоит 1 кг мусора? Расчет проведите в предположении, что вся энергия, содержащаяся в 1 кг мусора, переведена в электроэнергию.
    
17. Какая энергия требуется для образования электрон-позитронной пары? Могут ли фотоны с длинами волн из видимого диапазона породить такую пару? Найдите длины волн и частоты фотонов, которые образуются при аннигиляции электрон-позитронной пары.
    
18. На основе законов сохранения электрического, лептонного и барионного зарядов сделайте вывод о возможности следующих превращений элементарных частиц:
    

1) p = n + _-1e 2) n = p + _-1e 3) p = n + ₊₁e +₀⁰

4)  +  = _-1e + ₊₁e 5) p + _-1e = n +₀⁰.

19. Что такое «аромат» кварков? Назовите кварки разных ароматов. Что такое «цвет» кварков? Для чего вводится это понятие?
    
20. Чему равны электрический, лептонный и барионный заряды следующих элементарных частиц: странного кварка, очарованного антикварка, верхнего и нижнего кварков, электронного нейтрино, таона, мюонного антинейтрино, позитрона?
    
21. Чему равны электрический, лептонный и барионный заряды следующих частиц: ?
    
22. Поясните, какие превращения происходят на кварковом уровне при ⁺ и ^-распадах ядер? Почему нейтрон немного тяжелее протона?
    
23. Определите кварковую структуру и характеристики следующих барионов, исходя из их названия: антипротон, антинейтрон, дважды очарованный странный барион, трижды странный барион?
    
24. Кварковый состав мезонов. Определите кварковый состав самых легких из мезонов  ⁺-мезона и ^-мезона.
    
25. Какие изменения в природе произойдут, если «выключить» взаимодействие: 1) сильное 2) слабое 3) электромагнитное 4) гравитационное?
    
26. Особенности и характеристики частиц-переносчиков взаимодействий? Подтверждено ли их существование экспериментально?
    
27. Рассмотрите с помощью диаграмм Фейнмана превращения различных фундаментальных частиц при испускании (поглощении) ими W ⁺ и W ^-промежуточных бозонов.
    
28. Что такое «цветные» силы? Каковы их особенности?
    
29. Почему сла6ое и сильное взаимодействия являются короткодействующими?
    
30. При каких энергиях происходит объединение взаимодействий? Что такое великое объединение?
    
31. Сделайте «шпаргалку» (краткую) по теме: Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий.
    
32. (**) Элементарные частицы. История их открытия.
    
33. (**) Проведите аналогию в принципах построения биологических и физических систем. Рассмотрите образование барионов из трех кварков (физическая система) и кодирование аминокислот триплетами нуклеотидов (биологическая система). Приведите конкретные примеры.
    
34. (**)Перспективы физики элементарных частиц: 1) теоретический аспект; 2) экспериментальный аспект.
    

Вопросы, помеченные двумя звездочками (**), могут быть взяты в качестве тем для рефератов.


ЛИТЕРАТУРА

1. Л.Б Окунь. Современное состояние физики элементарных частиц. УФН 41(6), 553 (1998)
   
2. В.А.Рубаков. Физика частиц и космология: состояние и надежды. УФН 169, 1299 (1999)
   
3. Л.Б Окунь. Лептоны и кварки.  М.: Наука, 1990
   
4. С.Хокинг. Краткая история времени.  СПб: Амфора, 2001
   
5. П.Девис. Суперсила.  М.: Мир, 1989
   
6. M. Gaillard, P. Grannis, F. Sciulli. The standart model of particle physics. Rev. Mod. Phys. 71 (2). 96 (1999)
   
7. Frank Wilczek. Quantum field theory. Rev. Mod. Phys. 71 (2), 90 (1999)
   
8. A. Pais. Theoretical particle physics. Rev. Mod. Phys. 71 (2), 16 (1999)
   
9. J. Schwarz, N. Seiberg. String theory, supersymmetry, unification, and all that. Rev. Mod. Phys. 71 (2), 112 (1999)
   
10. Физическая энциклопедия / Под ред. А.М.Прохорова, т.1-5.  М.: Сов. энциклопедия, 1988-1998