Современная физическая картина мира
ия познаваемых объектов, но и средства для описания
условий познания, включая процедуры исследования.
. В неклассической физике, как и в классической, игнорируется атомная
структура экспериментальных устройств.
. Структура процесса познания не является неизменной. Качественному
многообразию природы должно соответствовать многообразие
способов ее познания. На основе неклассических способов познания
(релятивистского и квантового) со временем должны сформироваться
другие новые способы познания.
Во второй половине XX в. основное внимание физиков обращено на создание
теорий, раскрывающих с позиций квантово-релятивистских представлений
сущность и основания единства четырех фундаментальных взаимодействий —
электромагнитного, «сильного» - «слабого» и гравитационного. Эта задача
одновременно является задачей создания единой теории элементарных частиц
(теории структуры материи). В последние десятилетия созданы и получили
эмпирическое обоснование квантовая электродинамика, теория электрослабого
взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия),
есть перспективы на создание единой теории электромагнитного, «слабого» и
«сильного» взаимодействий. Физики ожидают, что в отдаленной перспективе к
ним должно быть присоединено и гравитационное взаимодействие. Таким
образом, естествознание в настоящее время находится на пути к реализации
великой цели — созданию единой теории структуры материи.
3. Фундаментальные физические взаимодействия
В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством с множеством
сил действующих на тела: сила ветра или потока воды, давление воздуха,
мускульная сила человека, вес предметов, давление квантов света, притяжение
и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас
катастрофические разрушения и т.д.. Одни силы действуют непосредственно при
контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии,
через пространство. Но, как выяснилось в результате развития
естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в
природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям.
Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в
мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел,
процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство
с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств
фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной
физики.
3.1 Гравитация
Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала
предметом научного исследования. Созданная в XVII в. Ньютоновская теория
гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную
роль гравитации как силы природы.
Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других
фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью
гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в
1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое
слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?
Все дело во второй удивительной черте гравитации — в ее универсальности.
Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает
на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает
гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все
больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо
мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть
значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию
потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль
гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не
доступны наблюдению.
Кроме того, гравитация — далъподействующая сила природы. Это означает,
что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с
расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на
весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе
гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря
дальнодействию гравитация позволяет Вселенной развалиться на части: она
удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях,
скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда составляет собой
силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное
отталкивание еще никогда не наблюдалось.
Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация —
неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На
этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной
теории квантово-гравитационного взаимодействия.
3.2 Электромагнетизм
По величине электрические силы намного превосходят гравитационные,
поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические
силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.
Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния,
вспышки молнии и др.).
Не все материалы частицы являются носителями электрического заряда.
Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество
отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное
поле, тогда как с электромагнитным- полем связаны только, заряженные
частицы.
Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические
заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные —
притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы
встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный.
Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как
северный полюс, а другой — как южный.
Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются
недействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника.
Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в
мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону
обратных квадратов. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в
космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную
систему; существуют и галактические электромагнитные поля,
электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и
отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и
процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся обычные силы: силы
упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные
состояния вещества, оптические явления и др.
3.3 Слабое взаимодействие
К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась
медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому к
его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием
бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная
особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто
нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения
энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон
сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с
электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица.
Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью,
вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-
невидимку «нейтрино».
Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, её постановка.
Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много
загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными
ядрами. Но было неопровержимо, доказано, что внутри ядер нет таких частиц.
Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и
нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом
образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования
показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе,
несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо
одной частицы появляется три новые. Анализ приводит к выводу, что известные
силы не могут вызвать такой распад. Он, может, порождался какой-то иной,
неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует
некоторое слабое взаимодействие.
Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий,
кроме гравитационного, и в системах, где оно существует, его эффекты
оказываются в тени электромагнитного сильного взаимодействий. Кроме того,
слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях.
Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается
на расстоянии, большем 1016 см от источника, и потому оно не может влиять
на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными
частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных
субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в
слабом взаимодействии.
Теория слабого взаимодействия была соз
| |  скачать работу |
Современная физическая картина мира |
