Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Мир элементарных частиц

Мир элементарных частиц

План

1. Фундаментальные физические взаимодействия

2. Гравитация

3. Электромагнетизм

4. Слабое взаимодействие

5. Сильное взаимодействие

6. Проблемы единства физики

Во второй половине XX в. физики, имели дело с изучением фундаментальной структуры материи, получили поистине удивительные результаты. Было открыто много новых субатомных частиц. их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все среди них есть действительно элементарными. Многие из них, в свою очередь, состоят из еще более элементарных частиц.

Новые частицы, как правило, открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц. Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались вновь частицы. До 50-х pp. основным источником первичных частиц были космические лучи, а в наше время ускорители, которые создают интенсивные пучки частиц с высокими энергиями.

Мир субатомных частиц поистине разнообразен. Среди них и "кирпичики", из которых построена вещество: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также электроны, вращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в веществе, что нас окружает, практически не встречаются резонансы. Время их жизни малейшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого промежутка времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных частиц с коротким периодом существования очень много: их известно уже более трехсот.

В 50 семидесятых pp. физики были фактически озадачены многочисленностью, риноманитнистю и необычностью недавно открытых субатомных частиц. Если в конце 40-х pp. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х pp. их было около четырехсот. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Есть элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи чи, возможно, за взаимодействиями этих частиц скрывается четкий порядок, указывает на существование фундаментальной структуры субъядерных мира? Развитие физики в последующие десятилетия показал, что такая структура, несомненно, существует. Мира субатомных частиц присущи объективные закономерности и глубокий структурный порядок. В основе этого порядка фундаментальные физические взаимодействия.

Фундаментальные физические взаимодействия

Гравитация

В своей повседневной жизни человек сталкивается с большим количеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс химических веществ, которые вызывают взрыв; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжения и отталкивания электрических зарядов; сейсмические волны, вызывают порой катастрофические разрушения; вулканические извержения, которые приводили к гибели цивилизаций; 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 такое большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном итоге ответственность за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждая из четырех фундаментальных взаимодействий подобная трех других и в то же время имеет свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий является главной задачей современной физики.

Гравитация первой из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Создана в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация имеет ряд особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее необычной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие протона с электроном в 1039 раз меньше силы их элекческого взаимодействия. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низкой (ближайшей к ядру) орбиты электрона превышал бы радиус доступной для наблюдения части Вселенной. Как может такая слабое взаимодействие быть господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй необычной черте гравитации в ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает действия гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжения одного атома ничтожно мало, но совокупная сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы чувствуем гравитацию том, что все атомы Земли совместно привлекают нас. Зато в микромире роль гравитации очень незначительна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны для наблюдения.

Кроме того, гравитация дальнодействующих сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия уменьшается с расстоянием, она распространяется в пространстве и может сказываться на очень удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря силе дальнодействия гравитация удерживает Вселенную от распада на две части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда является силой притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание не выявлен.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, что такое гравитация некоторое поле, искривление лростору-времени или то и другое вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия.

Электромагнетизм

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому, в отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические сили, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение длительного времени электрические н магнитные процессы изучались независимо друг от других. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма - первую единую теорию поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было доказано в девяностые pp. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральными, например, фотон и нейтрино. В нем отличие электричества от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как электромагнитное поле связано только с заряженными частицами.

Долгое время загадкой была и сама природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные, полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не порознь, а только парами северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой как южный. Еще с древнейших времен предпринимались попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс монополь. Но все они заканчивались неудачей: при разрезании возникали два новых магниты, каждый из которых имел и северный, и южный полюса. Возможно, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Однозначного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) является дальнодействующих, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие оказывается на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, она подчиняется закону обратных квадратев.

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 ней сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, она определяет агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Слабое взаимодействие

До обнаружения существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распад частиц; с ее проявлением столкнулись после открытия радиоактивности и исследования бета-распада.

В бета-распада оказалась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде вроде нарушается один из фундаментальных законов физики закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то пропадала. 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 нейтральна и обладает чрезвычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось слостерииаты. Э. Ферми назвал частичку-невидимку "нейтрино".

Но предсказания нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино могли излучать только нестабильные ядра. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существует в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются в процессе распада ядра. Дальнейшие исследования показали, что нейтроны, которые входят в состав ядра, предоставлены сами себе, через несколько минут розпалаються на протон, электрон и нейтрино, то есть вместо одной частицы появляется три новых. Анализ приводил к выводуу, известные силы не могут вызвать такой распад. Он, очевидно, шел какой-то другой, неведомой силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторая слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше вол всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где она присутствует, эффекты слабого взаимодействия находятся в тени электромагнитной и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого взаимодействия луже малин. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, превышающим 10, н м вол источники, и поэтому она не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомные частицы. Когда началось лавинообразное открытие большого количества и нестабильных субъядерных частиц, то оказалось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Теорию слабого взаимодействия была создана в конце 60-х pp. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории стало крупнейшим шагом па пути к единству физики.

Сильное взаимодействие

Последняя среди фундаментальных взаимодействия "! & Mdash; сильное взаимодействие, она является источником огромной энергии. Наиболее характерные! Пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, которые вызывает сильное взаимодействие. но и человек научился использовать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, открытые и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представление о существовании сильного взаимодействия физика шла в процессе изучения структуры атомного ядра. Какая сила должна содержать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания.

Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем более сильная, чем электромагнитная. Впоследствии это взаимодействие было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превзойдиуе все другие фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра она не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяется размерами ядра, то есть примерно 10 ~ 15 м. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, ее испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны ей не подвластны. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Она является ответственным за образование ядер и многие другие взаимодействий элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв сказался лишь в начале 60-х pp., Когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко очерчен разницу между силами дальнего действия и силами близькодиючимы. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой стороны - малого радиуса (сильная и слабая взаимодействия). Мир физических процессов разворачивается в пределах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

Проблемы единства физики

Познание является обобщением действительности, и поэтому цель науки поиск единства в природе, увязывание разрозненных фрагментов знания в целостную картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно найти глубинную связующее звено между различными отраслями знания, видимо фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений одна из главных задач научного исследования. Каждый раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к неизвестным ранее явлений.

Выяснение глубинных связей между различными составляющими природы это одновременно и синтез знания, и новый метод, который направляет научные исследования по неведомым путям Обнаружив связь между притяжением тел в земных условиях и движением планет, Ньютон ознаменовал своим открытием рождение классической механики, которая является основой технологической базы современной цивилизации. Открытие связи между термодинамическими свойствами газа и хаотичным движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого века Максвелл создал единую электромагнитную теорию, соединившей как электрические, так и магнитные явления. Позже в 20-х pp. нашего века Эйнштейн попытался объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине XX в. положение в физике радикально изменилось: были открыты две новые фундаментальные взаимодействия сильную и слабую. Создавая единую физику, приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это немного охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Однако сам замысел всерьез не поддавался сомнению, и увлеченность идеей единого описания не прошла.

Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и можно создать их единственный теоретическое описание Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одной-единственной фундаментальной взаимодействия) остается очень привлекательной. Это главная мечта физиков. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и к тому же очень неопределенной.

Однако во второй половине XX в. появились предпосылки для осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может превратиться в реальность. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60 70-х pp. & Mdash; речь идет о создании сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания считать, что мы стоим на пороге более мощного и глубокого объединения, чем когда-либо прежде. физики переко

Загрузка...