Черты отличия или прогрессивные черты электромагнитной картины природы:

1. появление 2-х форм материи (поле и вещество);

2. появление сил взаимодействия в природе (гравитационная и электромагнитная);

3. представление модели атома и открытие меньших, чем атом, элементарных частиц (протон, электрон);

4. корпускулярно-волновой дуализм фотона;

5. интеграция физических явлений (световые и магнитные).

Причины смены электромагнитной картины природы - это те открытия, которые не могли быть объяснены с позиции электромагнитной картины природы.

• 1887 г. – открытие явления фотоэффекта (Г. Герц, Столетов);

• 1900 г. - обнаружение прерывистости электромагнитного излучения (М. Планк);

• 1905 г. - А. Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, подтверждающая зависимость массы электрона от его скорости.

Таким образом, налицо все признаки кризиса. Многие физики в этих условиях переходят на путь физического релятивизма (принцип относительности наших знаний).

Его сущность:

1. мир не познаваем;

2. существует лишь разум, а не вещи;

3. физика изучает не сущность вещей, а их отношения, которые описываются уравнениями. Материя исчезает, остаются только уравнения. Разум выдумывает законы природы;

4. наши знания относительны, абсолютной истины нет.

Другая группа физиков увидела выход из кризиса в переходе от метафизики к диалектике.

Диалектическое мышление – такое мышление, которое признает качественное изменение в мире (эволюцию), внутренние противоречия (случайность) и конкретность истины.

Результатом такого перехода явилось крушение электромагнитной картины природы и создание квантовой физики.

1932 г. – год «чудес», год окончательного распада эл/м КП:

1-е «чудо» (событие) – открытие нейтрона Д. Чедвиком. Это открытие привело к созданию протоно-нейтронной модели атомного ядра (С.Д. Иваненко и др.). сумма протонов равна положительному заряду ядра атома и, соответственно, порядковому номеру электрона; сумма протонов и нейтронов равна массе атома; сумма протонов равна сумме электронов; добавление протона превращает один элемент в другой; добавление нейтрона превращает один изотоп в другой.

2-е «чудо» – открытие ядерной реакции Э. Резерфордом. Благодаря этому открытию в 1934 г. Ферми удалось получить искусственную радиоактивность. С этого периода начался век ядерной физики.

3-е «чудо» – Андерсон обнаружил позитрон. Позитрон – это античастица электрона. Благодаря этому было установлено, что пара электрон – позитрон приводит к образованию фотона и наоборот, т.е. вещество (электрон и позитрон) может превращаться в поле (фотон) и наоборот. Тем самым была разрушена непереходимая грань между веществом и полем.

Тема 8. Микромир: концепции современной физики.

1. Рождение и развитие представлений о квантах.

2. Теория атома Н. Бора.

3. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике.

4. Элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи; виды взаимодействия между частицами.

5. Характерные особенности квантово-полевой КП.

1. Первый шаг к объяснению двойственного поведения частиц (корпускулярно-волновой дуализм) был сделан в 1900 г. М. Планком. В процессе работы по исследованию теплового излучения М. Планк пришел к выводу о том, что в процессах теплового излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций (квантов) определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую ввел в науку под символом h. Е = h × λ (hλ – квант энергии, λ – частота).

Таким образом, фундамент квантовой физики был заложен 14 декабря 1900 г., который считается днем рождения квантовой теории, всей атомной физики и начала новой эры естествознания.

В 1905 г. А. Эйнштейн перенес идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и, таким образом, обосновал новое учение о свете – квантовую теорию света (или фотонная теория Эйнштейна), которая утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление.

И вместе с тем, световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется в определенных местах. Отсюда следует, что свет имеет прерывистую структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов или фотонов. Их энергия определяется по формуле М. Планка. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Значение квантовой теории. Она помогла понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которой: выбивание электронов из вещества под действием эл/м волн. За такое толкование А. Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию.

Возникла парадоксальная ситуация: свет ведет себя не только как волна (в опытах по дифракции и интерференции), но и как поток корпускул (фотоэффект). При этом фотон (квант) оказался корпускулой особого рода, т.к. присущая ему порция энергии (это основная характеристика его дискретности) вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту (λ).

2. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома, который в 1913 г. применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив, тем самым, противоречия, которые возникли при планетарной модели атома Э. Резерфорда.

Неразрешимое противоречие заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать эл/м энергию. Но тогда электроны очень быстро израсходовали бы всю свою энергию и упали бы на ядро. Но ведь атом – это стабильная частица.

Модель атома Н. Бора разрешила эти противоречия. Она базировалась на планетарной модели Резерфорда и на квантовой теории атома Эйнштейна. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на 2-х постулатах:

• в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (т.е. несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая энергию;

• при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое электрон излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Н. Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарном состоянии электроны без внешней на то причины не излучают эл/м энергии. При этом атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально и процессы в атоме тоже нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире, т.к. электрон – не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния.

3. Представления А. Эйнштейна о квантах света оказали еще одно плодотворное действие на развитие атомной физики, в которой была выдвинута идея о «волнах материи».

В 1924 г. фран. физик де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Согласно его идеи любому телу с массой m, движущегося со скоростью v, соответствует волна λ = h/mv. Это была мысль де Бройля о всеобщем дуализме частиц и волны. Она позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства вещества и поля в их единстве.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили, благодаря нем. физику М. Борну, символическое название – «волны вероятности».

Убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов амер. физиками Дэвисоном и Джермером. Далее была обнаружена дифракция нейтронов, атомов и даже молекул.

Открытие волновой природы электрона было предложено П. Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда – с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон, но с положительным зарядом. Как было отмечено ранее, такая частица была обнаружена Андерсоном в 1932 г. и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образует пару фотонов, т.е. квантов эл/м излучения. Возможен и обратный процесс, когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим.

4. В 1932 г. было известно 3 элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон.

В 1964 г. – уже 19 элементарных частиц.

Сейчас – более 300 элементарных частиц.

Но большинство из них не стабильны. Такие частицы называются резонансами. Если их исключить, то остается 25 частиц:

• 1-ое семейство - фотоны; S = 1;

• 2-ое семейство – лептоны (легкие, такие как: электрон, нейтрино, глюон); S = ± ½;

• 3-е семейство – андроны (тяжелые: мезоны и барионы), такие как: протон, нейтрино; S = 0, ± ½.

Все частицы отличаются друг от друга по целому ряду характеристик: масса, электрический заряд, спин, время жизни, продукты распада и т.д.

В квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. Спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон:

S = 0 – выглядит со всех сторон одинаково;

S = 1 (↑) – принимает прежний вид после оборота на 360º;

S = 2 (↕) – любые ее положения повторяются с полуоборота;

S = ½ - принимают прежний вид после двойного оборота.

Стабильными частицами являются только 5: фотон, протон, нейтрон, электрон и нейтрино. Остальные все не стабильны. Следовательно, нестабильность – это правило. Основным свойством частиц является их взаимопревращаемость, которая осуществляется спонтанно, т.е. самопроизвольно, в различных направлениях. При этом частицы не распадаются, а рождают новые частицы за счет энергии столкновения.

Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы (учитывая их спин):

• частицы со спином: S = ½, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, лептоны, гипероны), которые можно объединить в семейство фермионов, т.к. для них выполняется принцип Ферми – нетерпимости: в одном состоянии может находиться только одна частица. Это реальные частицы. Среди них стабильными являются только 4: электроны, протоны, нейтроны и нейтрино;

• частицы с целым спином: S = 0,1,2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и мезоны), т.е. являются переносчиками всех видов взаимодействия; для них выполняется – принцип Бозе - принцип коллективизма, когда одно состояние частицы могут заполнять в неограниченном количестве. Среди них стабильными являются только фотоны. Бозоны – это виртуальные частицы, т.к. их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора. Но они существуют, т.к. создают эффекты, поддающиеся измерениям.

Большое количество андронов навело ученых на мысль о возможной структурности этих частиц. Впервые исследовал эти частицы амер. физик-теоретик Гелл-Манн. Он назвал их кварками. Эти кварки относятся к семейству фермионов, обладают дробным зарядом и не могут существовать в свободном состоянии. В настоящее время известно несколько разновидностей кварков: шесть ароматов. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов – красный, зеленый, синий. Это просто обозначения, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Пока, что кварки описаны теоретически, т.е их экспериментально не обнаружили, т.к. вся дополнительная энергия расходуется не на расщепление андронов, которые, предположительно, состоят из кварков, а на рождение новых глюонов, т.е. новых частиц.

Главная характеристика микрообъектов – их корпускулярно-волновой дуализм. Для микрообъектов принципиально невозможно безграничная детализация ни во времени, ни в пространстве; их особенность – цельность должна удерживать от вопроса «из чего состоит». Также для микрообъектов невозможна буквальная наглядная модель. Физические параметры микрообъектов – это результат математических расчетов. Модельные представления условны, относительны и сочетаются с математическими абстракциями. Состояние микрообъектов задается закономерностями распределения, которые дают вероятность того, что данные величины принимают те или иные значения, при этом сами величины не принимают определенных значений, т.е. оказываются случайными. Случайность выступает в диалектической связи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность статистических закономерностей. Необходимым оказывается лишь вероятность поведения микрообъектов.

Квантово-механическое описание микромира основывается на принципе неопределенности, установленным нем. физиком Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора.

Суть принципа неопределенности: никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость, т.е. где находится в данный момент времени частица, как быстро и в каком направлении она двигается. Принцип неопределенности есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его.

С принципом неопределенности перекликается принцип запрета Паули, открытый в 1925 г. австр. физиком В. Паули. Его суть: две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если бы в сотворении мира не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы – нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без этого принципа они бы просто сколапсировали и превратились бы в более или менее однородное «желе».

Суть принципа дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего» (Н. Бор). Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов является результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и микроприборов.

Частицы – переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия, которые, в свою очередь, образуют четыре типа полей.

Поле взаимодействия	Переносчики взаимодействия	Сфера действия
Слабое поле и слабое взаимодействие; взаимодействие всех частиц со спином 1/2, кроме фотонов и гравитонов и частицами со спином 0, 1, 2. Сильное поле и сильное взаимодействие (ядерное); удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Эл/магнитное поле и эл/магнитное взаимодействие. Это взаимодействие всех частиц, кроме нейтрино и гравитонов. 4) Гравитационное поле и гравитационное взаимодействие.	Три промежуточных бозона. 8 глюонов из сем. бозонов. Фотоны. Гравитоны	Интимная сфера элементарных частиц, т.е. очень маленький радиус действия; маловероятное и медленно протекающее взаимодействие. Отвечает за радиоактивность. Ядро. Это взаимодействие приводит к быстропротекающим процессам в ядре на коротких расстояниях. Отвечает за ядерные реакции. Между электрически заряженными частицами: между электронами и протонами в ядре, между атомами, между молекулами. Это взаимодействие определяет строение и свойства атомов и молекул, его проявление разнообразны: силы притяжения и отталкивания, силы трения и упругости, давление, химические реакции. Может быть как силой сближения, так и силой отталкивания. Макрообъекты и космические тела, т.е. действует на больших расстояниях и всегда сила сближения. Очень слабая сила.

5. Философское основание – диалектический материализм (признание эволюционного преобразования мира).

Теоретичесикй базис – квантовая физика, квантовая механика.

Теории и законы – теория относительности и теория поля Эйнштейна.

Природа – это саморазвивающаяся материя, представленная тремя разновидностями: вещество, поле, вакуум, между которыми отсутствует разделяющая грань, т.е. постоянно происходят взаимопревращения этих видов материи друг в друга. Кирпичики вещества – это молекулы и атомы.

Физический вакуум – это не пустота в обычном смысле слова, а особое, невозбужденное, низшее энергетическое состояние полей. Вакуум заполнен виртуальными частицами, которые возникают сами по себе, чтобы вскоре исчезнуть. Вакуум обладает какой-то минимальной энергией, которой мы не можем воспользоваться. При наличии внешнего источника энергии возможен переход вакуума в возбужденное состояние, при котором виртуальные частицы превращаются в реальные.

Случайность встроена в механизм эволюции материи.

Четыре вида полей и четыре типа взаимодействия: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное.

Квантово-полевая картина природы диалектична. Она точнее отражает диалектически противоречивую действительность, многообразие явлений, взаимопревращаемость. Масса и энергия взаимосвязаны. Волновые и корпускулярные свойства объединяются. Все грани в природе условны и относительно подвижны.