Шпаргалка по "естествознанию"

 

В результате экспериментальных  исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что  при больших энергиях столкновения протонов слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются –  их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Теорию электрослабых сил нельзя считать полностью доказанной, но основная ее идея проверена многими опытами. Эта идея сводится к тому, что электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких форм, или компонентов. Этих компонентов в четыре раза больше, чем в электромагнитном поле.

 

Радиус действия слабых сил  – приблизительно 10-16см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными  силами, а на меньших масштабах  электрослабые поля неразделимы, подобно электрическому и магнитному полям быстро движущегося заряда.

 

Что же происходит дальше? Тут  и начинается область гипотез. Согласно большинству из них электрослабые взаимодействия объединяются с сильными приблизительно на масштабе 10 – 30 см. Но такие малые масштабы трудно представить.

 

Однако решающий эксперимент  для проверки этого так называемого  Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона.

 

Это процесс совершенно нового типа, при котором в нуклонах происходят уже не переходы одних кварков  в другие, как при ?-распаде, а превращение  кварков в антикварки и лептоны. Оказывается нарушенным закон сохранения барионного заряда. Вероятности таких превращений, конечно, очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя, – она бы рассыпалась на более легкие частицы.

 

Другое вероятное следствие  Великого объединения – это существование  «монополей», одиночных магнитных  зарядов. Их масса должна быть фантастически  велика.

 

АльбертЭйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь объединение электромагнитного взаимодействия со слабым и, возможно, сильным взаимодействиями, это будет, можно сказать, суперобъединение – все четыре силы природы сводятся к одной исходя из какого-то фундаментального принципа. Возможно, такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении Вселенной и быстром охлаждении образовавшегося вещества единое взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия, определивших структурную организацию материи.

 

Создание единой теории фундаментальных  взаимодействий – одна из важнейших  задач современного естествознания. Решение такой задачи потребует  синтеза естественно-научных знаний о материальных объектах разных масштабов  – от элементарных частиц до Вселенной. Эта теория обеспечит концептуальное обобщение знаний об окружающем нас  мире.

 

24. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ  ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ 

 

Важнейшее свойство материи  – ее структурная и системная  организация, которая выражает упорядоченность  существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и  уровней, связанных между собой  единой системой иерархии. Непосредственно  наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы  – из ядер и электронов, атомные  ядра – из нуклонов, нуклоны –  из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более  мелких частиц.

 

С биологической точки  зрения самая крупная живая система  – биосфера – состоит из биоценозов, содержащих множество популяций  живых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные  особи, живой организм которых состоит  из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные  части.

 

В современном естествознании множество материальных систем принято  условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звезд, галактик и Вселенной.

 

Материальные системы  микро-, макро– и мегами-ра различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются.

 

Отношение самого большого размера  к самому малому, составляющее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопления естественно-научных  знаний об окружающем мире.

 

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро– и  мегамира.

 

Материальные объекты  микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только своими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, один моль любого вещества содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоянной Авогадро и примерно равное 6 х 1023моль-1.

 

Свойства и особенности  материальных объектов микро-, макро– и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро-и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественнонаучных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля и т. п.

 

Материальные объекты  образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи  между ними больше кинетической энергии  каждого из них. Энергия связи  – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить»  систему на отдельные ее составляющие.

 

25. СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ  МАТЕРИИ 

 

Материя – одно из фундаментальных  понятий философии и науки. По определению В. И. Ленина, материя  – философская категория для  обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. Важнейшим свойством  материи и материальных образований  является ее системность и структурность.

 

Система – это комплекс взаимодействующих элементов, или, что одно и то же, ограниченное множество  взаимодействующих элементов. Для  системы обычно характерна иерархичность  строения – последовательное включение  системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.

 

Мы знаем, что непосредственно  наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы  – из ядер и электронов, атомные  ядра – из нуклонов (нейтронов и  протонов), нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что  электроны и кварки не содержат более  мелких частиц.

 

Поэтому в современном  естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир.

 

К микромиру относятся  молекулы, атомы и элементарные частицы. Макромир составляют материальные объекты, состоящие из огромного числа  атомов и молекул. Мир планет, звезд, галактик и Вселенной образует мегамир.

 

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро– и  мегамира. Таким образом, можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

 

Свойства и особенности  материальных объектов микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только размерами, но и количественными характеристиками. Материальные объекты образуют целостную систему, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую надо затратить на «растаскивание» всей системы на отдельные ее части полностью.

 

С другой стороны, в классической физике различали два вида материи  – вещество и поле. Вещество –  это вид материи, обладающий массой покоя. В конечном счете вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна  нулю (в основном из электронов, протонов и нейтронов). В классической физике вещество и поле противопоставлялись  друг другу как два вида материи, у первого из которых структура  дискретна, а у второго – непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела  к нивелированию этого представления. Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений  о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествлявшиеся в  науке много веков.

 

Изучением свойств вещества в его различных агрегатных состояниях занимаются физика твердого тела, физика жидкостей и газов, физика плазмы. Свойства и структуру материи  на микроскопическом уровне изучают  атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. Распределение  и структуру материи во Вселенной  изучает астрофизика.

 

26. ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО 

 

Материя – философская  категория для обозначения объективной  реальности, отражаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. В  классических представлениях естествознания различают два вида материи –  вещество и поле.

 

Согласно теории корпускулярно-волнового  дуализма свет – это поток частиц – квантов или фотонов, несущих  определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет – это  волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.

 

В квантовой механике любой  частице соответствует волна. А  когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует  о полной неразличимости тождественных  частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.

 

Итак, если все частицы  одинаковы, как волны в одной  и той же среде, то, значит, эта  среда, т. е. поле, является более фундаментальным  понятием.

 

Поле определяется через  силы, действующие на некоторый пробный  объект (заряд, массу), помещенный в  данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке  эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой  поля. При этом переход от точки  к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность  его характеристик. Именно непрерывность  позволяет эффективно применять  математические методы для описания физических характеристик разнообразных  объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.

 

С математической точки зрения поле – это произвольная функция  или набор функций, координат  и времени.

 

Поля могут быть постоянными  и переменными. Например, электрическое  и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально  зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое  поле в грозовой туче постоянные.

 

Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и  нейтронов). Последние в свою очередь  состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами  вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой  фотоны, гравитационное взаимодействие – гравитоны, сильное взаимодействие – глюоны, слабое взаимодействие – векторные бозоны.

 

В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись  друг другу как два вида материи, у первого из которых структура  дискретна, а у второго – непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов  нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены  категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся  в философии и науке, причем философское  значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило  научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ  известны четыре состояния: твердые  тела, жидкости, газы, плазма.

 

27. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ  ЧАСТИЦ 

 

В узком смысле слова элементарными  можно назвать частицы, у которых  внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большинство  элементарных частиц(мезоны, барионы)обладают внутренней структурой.

 

В 1920-е гг. были известны две  частицы – электрон и протон, а также два вида взаимодействий – гравитационное и электромагнитное. На их основе объяснялись все явления  природы.

 

Можно выделить два основных потока открытий новых элементарных частиц. Первый приходится на 1930-1950-е  гг., когда прежде всего были найдены  нейтрон и позитрон. Позитрон –  античастица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным  зарядом. При соударении электрона  с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей  ей античастицей, может произойти  их аннигиляция, т. е. исчезновение частиц, причем их энергия превращается в  другие формы.

 

Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. Концепция существования  нейтрино спасла несколько физических законов. Причем один тип взаимодействует  только с электроном, а другой –  только с р-мезоном. Существование  мезонов было предсказано Х. Юкавой в 1935 г. В 1937 г. был открыт первый мезон, но не тот (р-мезон). Предсказанный же Юкавой мезон был открыт в 1947 г. (р-мезон). Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям.

 

Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960–1965 гг. К концу этого периода число  частиц превысило 200. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Использование  стабильности частиц или времени  их жизни в качестве критерия оказалось  неэффективным.

 

Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди этих частиц дольше всех живет свободный нейтрон, меньше всех – нейтральный ж-мезон (10-16с). В конце 1960 г. был открыт новый класс частиц, получивший название резонансов. Эти частицы живут крайне мало: порядка 10-23с.