Концепции современного естествознания модуль 1 Естествознание: эволюция представлений
| Вид материала | Закон |
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
- Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
- Камчатский государственный технический университет, 33.59kb.
- Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
- Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
- Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
- Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
- Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».
Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).
К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») и мезоны. Самым легким барионом является протон.
Лептонами являются, в частности, электрон и позитрон, мюоны обоих знаков, нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, что фотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила название гравитон. Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвует только в гравитационном взаимодействии. Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы – гравитино и гравифотон. Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).
Стабильными частицами являются электрон (его время жизни τ > 1021 лет), протон (τ > 1031 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни τ > 10–20 c. Резонансы – частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 – 22 ÷10 – 24 с.
Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна, поэтому такие частицы принято называть бозонами. Совокупность же частиц с полуцелым спином описывается статистикой Ферми – Дирака, отсюда и название таких частиц – фермионы.
Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин – квантовых чисел. Общими для всех частиц характеристиками являются масса m, время жизни τ, спин J и электрический заряд Q. Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегося элементарным электрическим зарядом.
Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами. Лептонам приписывается специфический лептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несут барионный заряд В = ±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).
Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р, принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо – 1.
Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы ( К-мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа: странность S, очарование С и красота b. Эти квантовые числа введены в соответствии с кварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.
Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мультиплетами и характеризуются общим квантовым числом – изотопическим спином, принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.
В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов?
Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, – кварков. Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физиком Марри Гелл-Маном. Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов: u-, d- и s-кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками: «очарованным» (с) и «красивым» (b). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладают дробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.
Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны – из кварка и антикварка. Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число «цвет». Кварк каждого типа («аромата» – u, d, s, c, b) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила название квантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).
Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы – так называемым удержанием кварков.
Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспериментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.
Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q, лептонный заряд L, барионный заряд В, странность S, очарование С и красота b, существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называются истинно нейтральными. Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).
Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы – позитрона – в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц – при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).
При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества, т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционному излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.
Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.
Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной – вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. В чем состоит феномен научных революций? Как он соотносится с общефилософскими законами?
2. Что такое научный метод? Каков его алгоритм? Какую роль при его реализации играет выдвижение гипотез?
3. Изложите смысл принципа соответствия, выдвинутого Н. Бором. Как он определяет судьбу устаревающих теорий?
4. В чем состоит базовая концепция И. Ньютона, положенная им в основу классической физики?
5. Какие обстоятельства привели к смене корпускулярной теории света волновой теорией?
6. Какие взаимодействия между материальными объектами имеют статус фундаментальных?
7. Какое противоречие вызвало необходимость разработки специальной теории относительности?
8. В чем разница между инерциальными и неинерциальными системами отсчета? Как возникла общая теория относительности?
9. В чем состоит принципиальное различие в движении макрообъектов и квантовых частиц? Каким образом атомы вещества испускают кванты излучения?
10. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма материи? Имеется ли у электрона длина волны?
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Посредством выдвижения и логической проверки гипотез разрешите следующие противоречия:
1.1. Атомное ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются (запишите классическую формулу электростатического закона Кулона, вспомните, какой из законов Ньютона записывается в аналогичной форме).
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
1.2. Объясните, каким образом ядро сохраняет стабильность и высокую плотность. Используйте следующие справочные данные:
– плотность ядра имеет порядок 1013 г/см3, что на 11 порядков больше плотности металлов;
– размер атома порядка 10–8 см, размер ядра – 10–13 см;
– в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое;
– интенсивность фундаментальных взаимодействий убывает от сильного к электромагнитному и далее к слабому и гравитационному в соотношении: 1 : 10–2 : 10–8 : 10–38.
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
Проверьте все возможные гипотезы и найдите единственную логически непротиворечивую. Начните с выдвижения гипотезы общего вида.
2. Волновая теория света утвердилась после успешного объяснения широкого круга световых явлений, в том числе явлений дифракции и интерференции, которые в понятиях корпускулярной теории света не могут быть объяснены.
Объясните:
2.1. Каким образом при интерференции происходит гашение света светом, не нарушается ли при этом закон сохранения энергии.
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
2.2. В чем состоит сходство и в чем – отличие явлений, определяемых явно созвучными терминами «рефракция» и «дифракция».
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
Ответьте на следующие вопросы:
2.3. Какие явления не могут быть объяснены в понятиях волновой теории света?
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
2.4. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма и какой общефилософский закон она отражает?
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
2.5. Какими экспериментами можно осуществить эмпирическую проверку гипотезы о наличии у частиц вещества (например, электронов) волновых свойств?
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
2.6. Действие какого современного прибора основано на использовании волновых свойств электронов?
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
3. В соответствии с классификацией элементарных частиц по их участию в фундаментальных взаимодействиях фотон участвует не только в электромагнитном, но и в гравитационном взаимодействии. Известно также, что масса покоя фотона равна нулю.
Следовательно, если руководствоваться законом всемирного тяготения Ньютона, возникает явное противоречие.
3.1. Разрешите это противоречие, исходя из следующих данных:
– закон всемирного тяготения, точно прогнозируя результат измерения, не вскрывает природы гравитации;
– природу гравитации объясняет общая теория относительности, показывающая, что тяготеющая материя изменяет геометрию пространства-времени.
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
3.2. Объясните, как определяется масса релятивистской частицы.
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
3.3. Почему никакая релятивистская частица, кроме ультрарелятивистского фотона, не может достичь скорости света?
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________
ЛИТЕРАТУРА
Основная :
1. Азимов А. Выбор катастроф. – М.: Амфора, 2001.
2. Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. – М., 1988.
3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.
4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М., 1986.
5. Салопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.
Дополнительная:
6. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной – М.: Наука, 1981.
7. Гайденко В. Б., Смирнов Г. А. Западноевропейская наука в Средние века. – М.: Наука, 1989.
8. Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. – М.: Наука, 1981.
9. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука. 1986.
10. Клименко И. С., Энгвер Н. Н. Концепции современного естествознания. – М., 2002.
11. Кун Т. Структура научных революций – М.: Прогресс, 1975.
12. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. – 1995. – № 4.
13. Лосев А. Ф., Тахо-Годи А. А. Платон. Аристотель. – М.: Молодая гвардия, 1993.
14. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966.
15. Эмсли Дж. Элемент. – М.: Мир, 1993.
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
Адроны (от греч. αδpos – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. К адронам относятся все барионы и мезоны, включая резонансы.
Алгоритм (от лат. algorithmi – транслитерации имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми, оказавшего большое влияние на развитие математики в Европе) – конечный набор правил, позволяющих чисто механически решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач.
Анализ (от лат. analysis – разложение, расчленение) – метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части (элементы); часто используется как синоним научного исследования вообще; анализ неразрывно связан с синтезом (соединение элементов в единое целое).
Аннигиляция (от позднелат. annihilatio – исчезновение, превращение в ничто) – один из видов взаимопревращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей; при аннигиляции материя не исчезает, а превращается из одной формы в другую, например при аннигиляции электрона и позитрона возникают кванты электромагнитного излучения.