Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего Современная физическая картина мира
Картина мира, которую начали создавать Галилей и Ньютон, а завершали Фарадей, Максвелл и Эйнштейн, отражала философские воззрения, которые брали начало еще от древних: природа не делает скачков. Эти представления основывались на непрерывности процессов.
Это мнение изменила квантовая теория, согласно которой вещество при излучении испускает энергию конечными порциями - квантами. Энергия кванта равна произведению постоянной Планка на частоту излучения.
Луи де Бройль писал: ”День, когда была введена постоянная Планка, остается одной из замечательных дат в истории человеческой мысли”.
С постоянной Планка вошло в науку представление о дискретности энергии в микромире; постоянная Планка оказалась связанной с понятием о строении атома.
Каково строение атома? Известно, что на основе экспериментальных данных Резерфордом была создана планетарная модель атома. Это была последняя наглядная его модель. Предложенная Резерфордом модель была катастрофой для классической физики.
Согласно представлениям электродинамики Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому очень быстро упасть на ядро. Получалось, что с признанием модели атома Резерфорда следует пересмотреть классическую электродинамику, которая уже стала основой электромагнитной картины мира. Резерфорд понимал, что “его” атом обречен.
Но в 1913 году Резерфорду пришел пакет от молодого Нильса Бора с наброском его первой работы по квантовой теории строения атома. В этой статье Бор писал:”...существование мира постоянно доказывает, что атом - устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокруг ядра, вопреки
Максвеллу-Лоренцу, не излучают непрерывно. Так, если это не происходит и они, обессиленные не падают на ядро, не проще ли предположить, что в атоме есть пути, на которых электроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты! Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать...” По существу в этих словах выражено содержание знаменитых постулатов Бора, от которых и началась квантовая механика - новая физика.
Бор считал, что электрон, как и микрочастица в классической физике, движется по определенному пути. Эти пути - стационарные орбиты - Бор определял при помощи главных квантовых чисел. Атом может излучать энергию только тогда, когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую, причем эта энергия излучается в виде кванта.
Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бором, позволила объяснить многие факты, но возникло так много новых вопросов, на которые, как казалось физикам, невозможно было ответить. Эйнштейн писал: ”Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было строить...”
Ответ физики нашли, но для этого пришлось отказаться от прежних представлений о микропроцессах. В механической и электромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, их скорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любой заданный момент времени. В современной картине мира совершенно другой взгляд и на сами микрочастицы, и на их поведение.
Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. предложил рассматривать дискретные состояния электрона в атоме как волновые явления. Это давало возможность объяснить, почему электрон при своем движении вокруг ядра не излучает энергию (стоячая волна не излучает и не поглощает энергию). Вскоре была открыта дифракция электронов, что подтвердило наличие у них волновых свойств.
Математическое обоснование волновой модели атома дал австрийский физик Эрвин Шредингер. Решение составленного им для описания движения микрочастиц уравнения дает значения величины, известной в физике под названием пси-функции или волновой функции. Эта функция описывает движение электрона. Это движение не подчиняется законам механики Ньютона: если бы мы создали двум электронам абсолютно одинаковые начальные условия, то дальнейшее их движение могло бы быть совершенно различным, чего законы механики не допускают.
Поведение элементарных частиц вероятностное. Обусловлено это тем, что элементарным частицам присущи свойства корпускулы и волны. Для них невозможно с абсолютной точностью одновременно определить координату и импульс, изменение энергии и интервал времени, на протяжении которого происходит это изменение. Соотношения, которые дают возможность увидеть, как связаны между собой неопределенности при определении координаты и импульса, энергии и времени жизни микрообъекта введены в 1927 г. В.Гейзенбергом.
Оказалось, что не только макроскопические законы, определяющие массовый результат поведения микрочастиц, носят статистический характер, но и законы, определяющие поведение частиц в каждый момент времени и в каждой точке, являются статистическими.
Борьба идей дискретности и непрерывности материи завершилась слиянием обеих идей в представлении о свойствах элементарных частиц.
В механической и электромагнитной картинах мира элементарным понятием было движение себетождественной частицы. В МКМ такой частицей был атом, в ЭКМ на роль “абсолютных атомов” (неделимых и неизменных частиц, из которых состоит все сущее) претендовали электрон и протон.
Но открытие нейтрона в 1932 году привело к выводу, что в ядре атомов нет электронов и, значит, они образуются в результате распада нейтрона. Позитроны, открытые в космических лучах, дали возможность наблюдать такие удивительные процессы, как превращение электрон-позитронной пары в фотоны или, наоборот, превращение фотона большой энергии в электрон-позитронную пару.
Эксперименты в области физики высоких энергий изменили представление о мире... Начиная с Демокрита, атомисты объясняли бесконечное разнообразие вещей соединением и разъединением их частей, в этих процессах конечными и неделимыми частицами представлялись атомы. В их вечности и сохранении их числа усматривались доказательства вечности мира.
А в чем же мы видим опору для понимания несотворимости и неуничтожимости мира? Можем ли мы элементарные частицы считать “конечными частицами” материи аналогично тому, как атомисты представляли вечные и неделимые атомы?
Чтобы ответить на этот вопрос, подумаем, чем отличается понятие делимости в классической и современной физике.
Представим себе мысленный эксперимент, в котором моделью “конечной частицы” материи служит тарелка. Возьмем две тарелки и ударим одну о другую. С точки зрения классической физики возможны два случая:
1) тарелки останутся целыми, и тогда они “неделимы”; 2) тарелки разлетятся на кусочки, сложим их - форма тарелок восстановится; масса кусочков равна массе исходной тарелки. Тарелка делима.
Если бы набор посуды имел свойства элементарных частиц, мы наблюдали бы нечто совершенно иное.
Представим себе, что мы ударяем одну тарелку о другую. И ничего не происходит. Ударяем их с большей силой, и вот результат: у нас в руках оказываются две тарелки и одна чашка!
Можно ли их считать осколками двух тарелок? Конечно, нет... Эти образовавшиеся “элементарные частицы” имеют также статус элементарных частиц, как и исходные. Интересно, что масса образовавшихся частиц не обязательно равна массе исходных: она может быть как больше их массы, так и меньше, в зависимости от условий, в которых происходило взаимодействие.
Элементарные частицы - это более или менее стабильные образования материи, которые не делятся на осколки. Основное свойство ЭЧ - взаимопревращаемость. Мы не называем их “конечными частицами” материи и не пытаемся найти “конечные частицы”. Чем глубже мы продвигаемся в направлении увеличения концентрации энергии, тем дальше от нас отодвигается мираж конечных сущностей, “исходных кирпичиков мироздания”.
В современной картине мира ЭЧ - это простейший элемент данного поля, или просто “квант данного поля”. Поля современной физики можно сравнить со стихиями в картине мира древних мыслителей. Если они считали фундаментальными сущностями четыре стихии (землю, воду, воздух, огонь), то современная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявление четырех видов взаимодействий.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны в атомах и атомы в молекулах.
Слабому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторых частиц и за процессы с участием нейтрино.
Гравитационное взаимодействие действует между всеми материальными объектами.
Свести все разнообразные силы к единой основе, к чему стремилось человеческое знание на протяжении всего развития науки, современной физике пока не удалось.
- Смоленский институт бизнеса и предпринимательства
- Тема 1.3. Физика как целое
- Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- ... Различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средние века, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально
- Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания
- Развитие физико-химической биологии
- Панорама современного естествознания и его незавершенность.
- Литература
- Раздел 1. Физика глазами гуманитария: образы физики Пространство, время и материя в контексте культуры
- Литература
- Тема 1.1. Физика необходимого Мир дискретных объектов - физика частиц
- Состояние физической системы и его изменение со временем
- Импульс, энергия и момент системы как меры движения
- Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)
- Сплошная среда и упругие волны
- Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия
- Электромагнитное поле и электромагнитные волны
- Интерференция, дифракция и поляризация света
- Литература
- Тема 1.2. Физика возможного Мир микрообъектов - квантовая физика
- Атомы, молекулы, кристаллы
- Периодический закон Менделеева
- Квантовые переходы и излучение
- Атомы и молекулы
- Мир реальных макрообъектов - статистическая физика
- Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация
- Тепловая физика: от Карно к Гиббсу
- Энергия, температура, энтропия
- Ближний и дальний порядки в природе
- Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок
- Фазовые переходы и симметрия
- Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени
- Литература
- Тема 1.3. Физика как целое Иерархия структур природы
- Микромир
- Физический вакуум как реальность
- Макромир
- Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная
- Вариационные принципы
- Принцип дополнительности
- Принципы симметрии и законы сохранения
- Литература
- Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего Современная физическая картина мира
- Креативная роль физического вакуума
- Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип
- Происхождение галактик и Солнечной системы
- Земля: происхождение и динамика геосфер
- Роль живых организмов в эволюции Земли
- Литература
- Раздел 2. Жизнь От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие
- Кислоты, основания, соли
- Химия жизни
- Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем
- Матричный синтез. Информационные макромолекулы
- Тема 2.1. Живые системы
- Принципы взаимодействия организма и среды обитания
- Принципы воспроизводства и развития живых систем
- Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма
- Жизненный цикл клетки
- Единство и многообразие клеточных типов
- Дифференциация и интеграция функций в организме
- Размножение и развитие организмов
- Смерть и ее биологический смысл
- Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы
- Принципы систематики и таксономии
- Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов
- Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез
- Генетика и эволюция
- Литература
- Тема 2.2. Человек: организм и личность
- Положение человека в царстве животных
- Отличительные особенности человека
- Мозг и высшая нервная деятельность
- Природа агрессии
- Природа наслаждений
- Биосоциальные основы поведения
- Половое поведение человека
- Происхождение человека
- Этапы антропогенеза
- Биологические предпосылки и факторы антропогенеза
- Проблемы цефализации
- Биосоциальная природа человека
- Экология и здоровье. Биополитика
- Литература
- Тема 2.3. Биосфера и цивилизация
- Круговороты вещества и энергии
- Биосфера
- Эволюция биосферы
- Ресурсы биосферы
- Пределы устойчивости биосферы
- Биопродуктивность биосферы
- Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- Антропогенные воздействия на биосферу
- Экологический кризис и пути его преодоления
- Принципы рационального природопользования
- Охрана природы
- Экология человека
- Социальная экология
- Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем
- Пути развития экономики, не разрушающей природу
- Экологическое право
- Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле
- Человек, биосфера и космические циклы
- Литература
- Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход
- О направлении самопроизвольных процессов
- Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия
- Порядок и энтропия
- Механизмы эволюции
- Литература
- Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель
- Диссипативные системы вдали от равновесия
- Литература
- Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности
- Литература
- Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе
- Информационные аспекты синергетики
- Литература
- Заключение
- Литература