Читать онлайн «Шпаргалка по концепциям современного естествознания». Страница 9

– гравитационному;

– электромагнитному;

– сильному;

– слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии rдруг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:

F = G ? (m1m2)/r2. где G-гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теорией г' поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь является источником переменного магнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и другими, – и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных современных технических средств.

Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодей-ствием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны, но все они могут быть отнесены к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Связаны ли эти виды фундаментальных взаимодействий между собой?

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.

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.