Учебно-метод пособие КСЕ стац гум

зация. Реальный окружающий нас мир полон материальных объектов (физи-

ческий вакуум – одна из форм существования материи). А. Эйнштейн показал,

что линейные характеристики пространства определяются гравитационным полем, а также зависят от движения объекта, то есть выявил относительность пространства.

Неевклидовы геометрии

Карл Фридрих Гаусс (1777—1855), выдающийся немецкий математик и астроном, получил результаты в 1818 г., но от их публикации воздер-

жался.

Янош Больяй (1802—1860), венгерский математик, опубликовал свои результаты в 1832 г., но известности не добился

Николай Иванович Лобачевский (1792—1856), известный русский математик, опубликовал свои результаты в 1829—1830 гг. в труде "О

началах геометрии".

Георг Фридрих Бернхард Риман (1826—1866), немецкий математик,

ученик Гаусса, прочел доклад в 1854 г., опубликовал его в 1867 г.

Для понимания сути неевклидовых геометрий удобно представить наше трехмерное пространство в виде двухмерной пленки разной степени кривизны

Рис. 18. Сопоставление евклидовой и неевклидовых геометрий (по Ли-

повко П.О., 2005)

61

Пространство.

Классические и современные представления

 Классические		 Современные
1.	абсолютное	1.	относительное
2.	однородное	2.	неоднородное
3.	непрерывное	3.	дискретное
4.	трехмерное	4.	трехмерное (?)
5.	двунаправлено	5.	двунаправлено
6.	евклидово	6.	неевклидово

Общую теорию относительности, споры вокруг которой не утихают по сей день, удалось подтвердить с высокой точностью. В качестве основного

"инструмента исследования" был использован двойной пульсар PSR J07373039 — единственный, известный современной науке. Работа проведена меж-

дународным коллективом учёных под руководством профессора Майкла Кре-

мера (Michael Kramer) из университета Манчестера (University of Manchester)

и основывается на данных, собранных за три года наблюдений.

Учёные исследовали так называемый эффект Шапиро — задержку сигна-

ла при распространении в пространстве-времени, искривлённом гравитацион-

ным полем пульсаров.

Пульсары идеально подходят для проведения такого рода исследований:

их гравитационное поле очень сильное (примерно в 100 тысяч раз больше, чем у Солнца), и они излучают радиоволны с очень строгой периодичностью, по-

этому любые отклонения легко зафиксировать и измерить.

Как показали вычисления, сделанные группой Кремера, общая теория от-

носительности верна, а все возможные отклонения от неё составляют не более

0,05%. То есть можно сказать, что теория соответствует действительности как минимум на 99,95%.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science

62

Рис 19. Гравитационное искривление пространства.

Время – выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления. Оно универсально. И. Ньютон выделял абсолютное и относительное время. Абсо-

лютное, истинное время протекает равномерно и иначе называется длительно-

стью. Относительное время - это кажущееся или обыденное время, то есть по-

стигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, совершаемая при по-

средстве какого-либо движения. Употребляется в обыденной жизни: час, день,

месяц, год… В процессе развития физики с появлением специальной теории относи-

тельности возникло понимание: абсолютное время не имеет физического смысла, оно – лишь идеальное математическое представление. Течение време-

ни зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, то есть возникает ре-

лятивистское замедление времени. Поле тяготения приводит к гравитаци-

онному замедлению времени. Т.о., время течет с различной скоростью в раз-

личных условиях, то есть время всегда относительно.

63

Время.

Классические и современные представления

 Классические		 Современные
1.	абсолютное	1.	относительное
2.	однородное	2.	неоднородное
3.	непрерывное	3.	дискретное
4.	одномерное	4.	одномерное (?)
5.	однонаправлено	5. однонаправлено(?)

Взаимосвязь пространства и времени. Понятие о 4-мерном про-

странственно-временном континууме.

Вместо разобщенных координат пространства и времени теория относи-

тельности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского, немецкого ма-

тематика и физика, впервые предложившего такую трактовку. В этом мире положение каждого события определяется 4 числами: тремя пространствен-

ными координатами движущегося тела X, Y, Z и четвертой координатой – временем t. Четырехмерное «пространство-время» подчиняется соотношени-

ям неевклидовой геометрии. Такая геометрия переменной кривизны была создана еще до открытия теории относительности немецким математиком Бернхардом Риманом (1826-1886) и положена А. Эйнштейном в основу его общей теории относительности.

Т.о., диапазон пространственных размеров и интервалов времени, кото-

рыми оперирует современное естествознание (по порядкам величин):

Расстояния: от 10-35 м(квант пространства) до 1026 м ("размер" Вселен-

ной).

Времени: от 10-44 с (квант времени) до 1017 с ("возраст" Вселенной).

В петлевой теории гравитации главные объекты — маленькие квантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом. За-

коном их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в

64

них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким «внут-

ренним временем»: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на не-

кое «будущее».

Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрацией энергии (то есть далеко от сингулярности) ячейки как бы

«сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» простран-

ство-время.

Движение. В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния физической системы. Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности у мыслителей Китая, Индии, Гре-

ции. Древнегреческие философы (Гераклит, Демокрит, Эпикур) рассматрива-

ли первоначала вещей как находящиеся в постоянном движении и изменении.

Основными характеристиками движения являются его абсолютность и проти-

воречивость. Движение абсолютно, а покой относителен и представляет собой один из моментов движения. Противоречивость движения заключается в не-

разрывном единстве двух противоположных моментов – движения и покоя.

Движение материи многообразно и существует в различных формах.

Выделяют три основные группы форм движения материи: движение в неорга-

нической природе, в живой природе, в обществе. Высшие формы движения материи исторически возникают на основе относительно низких и включают их в себя в преобразованном виде. Однако, высшие формы движения материи качественно отличны от низших и несводимы к ним. Никакое свойство и форма движения не могут существовать сами по себе, они всегда присущи оп-

ределенным материальным образованиям, которые являются их субстратом.

65

Движения в обществе:

•Многообразные проявления деятельности людей

•Все высшие формы отражения и целенаправленного

преобразования действительности

Движения в живой природе - совокупность жизненных

процессов в организмах и в надорганизменных системах:

•Обмен веществ

•Процессы отражения, Саморегуляции, Управления и воспроизводства

•Различные отношения в биоценозах и экосистемах

•Взаимодействие биосферы с природными системами Земли и с

Движенияобществом в неорганической природе:

•пространственные перемещения,

•движения элементарных частиц и полей

•движения и превращения атомов и молекул – химическая форма движения

•геологические формы движения материи

•изменения в структуре макроскопических тел

•изменения космических систем различных размеров

Рис. 20. Иерархия форм движения

Организация материи (сокр. - организация) - упорядоченность матери-

альных объектов и процессов. В отличие от важнейших категорий естество-

знания: материи, движения, пространства и времени, введенных в научный оборот практически с момента возникновения науки о природе (с эпохи ан-

тичности), понятие организация (материи) является сравнительно новым. Оно стало систематически разрабатываться только во второй половине ХХ века.

Понятие организации оказалось таким же важным в естествознании, как кате-

гории материи, движения, пространства и времени, и тесно с ними связанным,

неотделимым от них. А именно: "Материя находится в непрерывном движе-

нии, происходящем в не иначе как в пространстве и времени, при этом мате-

рия непрерывно меняет свою организацию".

Основные формы организации материи - структура и колебание. Струк-

тура - это стабильное неоднородное распределение материи в пространстве.

Колебание - стабильное неоднородное распределение материи во времени. В

естествознании изучают, как правило, периодические или почти периодиче-

ские колебания материи - ритмы.

Для измерения степени упорядоченности материи вводятся количест-

66

венные характеристики организации: неопределенность, энтропия, информа-

ция.

Неопределенность - количество различных (несовпадающих) состоя-

ний, в которых может находиться система. Неопределенность выражается числом таких состояний N. Чем больше N, тем меньше порядок. Энтропия -

количественная характеристика организации системы, связанная с ее неопре-

деленностью формулой Больцмана. Смысл оценки организации по формуле

энтропии: чем больше неопределенность, тем больше энтропия. Энтропия ко-

личественная мера неупорядоченности системы.

Информация - количественная характеристика организации системы,

связанная с ее неопределенностью формулой Хартли. Информация есть мера

дезорганизации (разупорядочивания) системы, равно как и энтропия (их вели-

чины пропорциональны друг другу).

Единица измерения информации - бит (сложносокращенный термин от

английских слов binary digit - двоичная единица).

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ

В настоящее время известно 4 вида основных фундаментальных взаимо-

действий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Гравитационное взаимодействие – характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Заключается во взаимном притяже-

нии тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения:

между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропор-

циональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату рас-

стояния между ними. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами, существо-

вание которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Данным видом взаимодействий объясняется падение тел в поле тяготения Земли, а также движение планет Солнечной системы и других макрообъектов.

Электромагнитное взаимодействие – связано с электрическим и маг-

67

нитным полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Существуют положительные и отрицательные электрические заряды разной величины. За единицу электри-

ческого заряда условно принят заряд электрона. Одноименно заряженные час-

тицы отталкиваются, разноименно – притягиваются.

Электромагнитными взаимодействиями обусловлены агрегатные со-

стояния вещества. Явления трения, упругие и другие свойства вещества опре-

деляются силами межмолекулярного взаимодействия, которые по природе яв-

ляются электромагнитными.

Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя рав-

на нулю), гравитационное – гипотетические гравитоны (масса покоя также должна быть нулевой). От массы частиц зависит радиус действия сил. Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой,

возможно, бесконечный радиус действия.

Сильное взаимодействие – обеспечивает связь нуклонов в ядре и оп-

ределяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при об-

мене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в ядрах, явля-

ются глюоны. Радиус действия 10-14 см.

Слабое взаимодействие – описывает некоторые виды ядерных процес-

сов. Интенсивность его на 10-11 порядков (в 1010-1011 раз) меньше интенсив-

ности ядерных сил. Радиус его действия менее 10-15 см.

68

Рис.21. Теоретическое объединение фундаментальных взаимодействий.

СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ О МИКРО-, МАКРО- И МЕГА-

МИРАХ

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на 3 качественно различных области: микро-,

макро - и мегамиры. Есть предложение выделить еще 2 уровня: гипомир

(микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако эти 2 уровня следует считать пока гипотетичными, лишь предсказанными теорией, но еще не ставшими экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными.

Микромир – это мир атомов и элементарных частиц. Атомы характери-

зуются величинами 10-8 см. Специфика микромира отражена в разделах фи-

зики, основанных на квантовой механике, в т.ч. релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность и относительность процессов в микромире,

их структурных, пространственно-временных и энергетических характери-

стик. Сейчас известно около 400 элементарных частиц, отличающихся массой

(тяжелые, промежуточные, легкие), спином, электрическим зарядом (заряд кратен наименьшему заряду, присущему электрону), временем жизни (ста-

бильные, квазистабильные, нестабильные). Некоторые из элементарных час-

тиц живут очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, ус-

69

певая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10–12 – 10 –13 см). Минимальное время, доступное эксперимен-

тальному измерению, характеризуются величиной примерно 10-26с.

Классификация элементарных частиц

Одна из принятых сегодня классификаций основывается на том, в каком из фундаментальных взаимодействий принимают участие те или другие час-

тицы.

Адроны – участвуют в сильном взаимодействии

Лептоны - участвуют в слабом взаимодействии

Частицы-переносчики взаимодействий

Частицы-переносчики взаимодействий

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия

Глюоны – переносчики сильного взаимодействия

Бозоны - переносчики слабого взаимодействия

Гравитоны – гипотетические переносчики гравитационного взаимодей-

ствия

	Лептоны
	Электрон	 Нейтрино:
	Мюон	1.	электронные
	Таулептон	2.	мюонные
		3.	тау

Таким образом, известны 6 разновидностей лептонов, им соответствуют 6

античастиц, всего 12 лептонов.

Адроны

Их сотни. Классифицировать трудно. Для классификации адронов

70