На головну

Корпускулярно-хвильова концепція матерії. Структурні рівні організації матерії в рамках сучасної фізики

  1.  Cущность організації та її основні ознаки
  2.  I. Вибір місії організації.
  3.  I. Поняття про керівництво і лідерство в організації
  4.  II. Розвиток теорії лідерства (керівництва) в організації.
  5.  II. Розкриття інформації про облікову політику організації
  6.  III. Основні вимоги до організації розгляду звернень громадян
  7.  III. Типи лідерства в організації.

Ми в викладі фізичних концепцій пізнання світу будемо спиратися на обсяг знань з фізики, отриманих Вами в середньому (повну) загальну освіту, розширюючи їх концептуально в рамках релятивістської, квантово-польовий і сучасної фізичних дослідних програм.

Квантово-польова фізична дослідницька програма спирається на корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії, виражений в двоїсту природу мікрочастинок: корпускула-хвиля в формулах М. Планка і Луї де Бройля ( и  , де  - Постійна Планка; W - Енергія мікрочастинки; w - циклічна частота;  - Імпульс мікрочастинки;  - Хвильовий вектор, спрямований вздовж напрямку швидкості мікрочастинки, ? - довжина хвилі.) І який зумовлює подвійність існування матерії у формі речовини та фундаментальних полів взаємодії. У квантово-польової фізичної дослідницькій програмі була встановлена ??дискретність матерії в рамках структурних рівнів речовини і фундаментальних полів взаємодії, що підкреслює особливу роль фізичної структурної організації матерії (див. Схему 20) в моделюванні і пізнанні світу.

Схема 20. Фізична структурна організація матерії.

 МАТЕРИЯ

 речовина  Фундаментальні поля взаємодії
 Гіпермір - гіпотетичне уявлення про множинність мегасвіті.  Експериментально доведено
 Мегамир - світ мегаоб'ектов і мегасостояній великих космічних масштабів і скоростей.Мегаоб'екти і мегасистеми: метагалактики, галактики, зірки, планетні системи, планети, супутники планет, астероїди, комети, дифузна матерія.  Домінує гравітаційне поле взаімодействія.Кванти поля - Гравітон плюс гравітіно (?). Простір вимірюється в астрономічних одиницях, світлових роках і парсеках; час - в мільйонах і мільярдах років.
 Макросвіт - світ макрооб'єктів і макросостояніе, розмірність яких співвідносна з масштабами життя на Земле.Прімери макрооб'єктів і макросістем: геосфери, міста, машини, прилади, фізико-хімічні, геологічні, біологічні макросистеми.  Домінує електромагнітне поле взаємодії. Кванти поля - фотони. Простір вимірюється в нм, мм, см, м і км; час в секундах (с), хвилинах (хв.), годинах і роках.
 Мікросвіт - світ мікрооб'єктів і микросостояний, світ гранично малих виміряних експериментально масштабів. Просторові характеристики обчислюються від 10-10 до 10-18 М, а час від нескінченності до 10-24 с.Мікрооб'екти і мікросистеми: молекули, атоми, ядра атомів, елементарні частинки, в тому числі і кванти полів взаємодії, «фізичний» вакуум.  Домінують: слабке взаємодії, яка відповідає за взаємодію елементарних частинок при їх взаємоперетвореннях. Яскраво проявляються в b-- І b+- Розпади; кванти поля: важкі проміжні бозони; сильне поле взаємодії, яка відповідає за взаємодію кварків і Андронов, кванти поля: глюони і p-мезони; електромагнітне поле взаємодії відповідальне за існування атомів і молекул
 Гіпомір - гіпотетичний світ в мікросвіті, що йде ще від Планка.Гіпооб'екти і гіпосістеми: планкеон, «бульбашкова» сингулярність, «фізичний» вакуум.  Простір і час дискретні: квантуються в рамках уявлення про модель планкеонов: ?пл.~ 10-35 М, tпл.~ 10-44 с, r пл.~ 1096 кг / м3, W пл.~ 1019 ГеВ.

Гіпотетичні моделі гіперміра і гіпоміра, запропоновані К. Х. Рахматулина, певною мірою перетинаються, якщо в якості основного фундаментального об'єкта Природи прийняти фізичний вакуум як сукупність фундаментальних полів взаємодії в нижчому енергетичному стані. Структура вакууму (модель А. Лінде), в цих умовах задається розміром, часом, щільністю і енергією планкеонов ( «просторово-часова піна»). Квантові флуктуації щільності і розмірів призводять до того, що розширюють «бульбашки» стають нерівноправними: в «киплячій» великий Всесвіту з'являється міні-Всесвіт (а можливо і не одна - вставка наша), роздувається з величезною швидкістю. Це одна з природничо-наукових концепцій походження Всесвіту (див .: А. Д. Лінде. Фізика елементарних частинок і інфляційна космологія. - М .: Мир, 1990).

У моделі гіпоміра останнім часом все частіше використовують і теорію струн, яку один з її розробників Д. Гросс вважає єдиною працездатною теорією в масштабах шкали Планка, в основі якої лежать фундаментальні розміри фізичних констант: швидкості світла  м / с, кванта дії  Дж ? с і гравітаційної постійної Ньютона м3/ Кг ? с2, З яких і випливають визначення довжини, енергії і часу планкеонов в цих фундаментальних одиницях. Теорія струн є теорією нового типу, ідея якої в тому, що струна може приймати безліч різних конфігурацій і представляє собою значно більш ускладнений об'єкт, ніж частка-точка. Може статися, що всі спостережувані нами частки - суть просто різні гармоніки, різні моди коливань однієї і тієї ж струни. Саме такий підхід постулюється теорією струн і вважається, що теорія струн має потенційною можливістю стати об'єднуючою теорією всіх взаємодій і структурних рівнів матерії, тобто зможе пояснити ряд явищ в гіпоміре і мікросвіті.

Стосовно до макросвіту і мегамир підходи, засновані на теорії струн, носять поки спекулятивний характер. Однак, на думку американського фізика, лауреата Нобелівської премії Д. Гросса, істотних успіхів теорія струн як в теоретичних, так і в експериментальних дослідженнях природи світу досягне вже в новому XXI-му столітті.

Отже, сучасна фізична дослідницька програма - єдина теорія поля в пошуках теорій Великого об'єднання всіх фундаментальних взаємодій весь час розвивається, хоча і зустрічає на своєму шляху становлення і розвитку цілий ряд складнощів і труднощів.

Так, наприклад, головна проблема в теорії струн - це проблема типології простору-часу, яка в теорії струн може безперервним чином змінюватися. Багато теоретики струн внутрішньо згодні з Едвардом Уітменом, котрий сказав, що простір - час приречене, тобто на зміну концепції просторово-часових відносин повинна з'явитися нова концепція, в якій простір і час - не первинні, а скоріше похідні поняття. Головна тактика - треба зрозуміти, як зароджується, подібно до простору, час. Як зазначає Д. Гросс, ми не знаємо як, і це, великий камінь спотикання на шляху розгадки таємниць теорії струн. Свої таємниці приховують і інші теорії Великого об'єднання взаємодій. Взагалі таємниць природи Миру вистачить на багато поколінь землян як в рамках фізики, так і в інших природничих наук.

2.3. Фундаментальні взаємодії та теорія «Великого об'єднання»

У класичній фізиці поняття речовини і поля різко диференційовані і спираються на різні концепції. Поняття речовини спирається на корпускулярну наукову програму, і речовина визначається, як система частинок - корпускул: атомів, іонів, молекул. Розрізняють чотири агрегатних станів речовини: газ, рідина, тверде тіло і плазма, які щодо детально Ви вивчили в рамках середньої (повної) загальної освіти. Поняття поля спирається на контінуалісткую наукову програму і визначається, як матеріальний носій взаємодій. Найбільш повно розкриті класичні властивості електромагнітного поля на основі введення контрольованих силових характеристик електричного поля  і магнітного поля  . Макроскопічні властивості електромагнітного поля описуються рівняннями Максвелла, фізичний зміст яких детально підтверджено експериментом. Ми сформулюємо фізичний зміст рівнянь. Перше рівняння Максвелла (  ) Висловлює закон створення магнітних полів (  ) Дією електричних струмів (  ) І змінних електричних полів (  ). Друге рівняння Максвелла (  ) Висловлює закон створення вихрових електричних полів (  ) Дією змінних магнітних полів (  ). математична операція  вказує на наявність в кожній точці електромагнітного поля пов'язаних між собою вихрових змінних магнітних (  ) І електричних (  ) Полів. Рівняння, які за образним висловом Л. Больцмана «рукою Максвелла накреслив сам Бог», лежать в основі теорії електромагнітних хвиль і, отже, в фізичні основи радіо- і телекомунікацій, в тому числі і інформаційної системи Internet. Крім того, з них випливає, що швидкість передачі електромагнітної взаємодії не може перевищувати швидкості світла у вакуумі с, Тобто польова теорія близкодействия, яка була потім поширена на всі фундаментальні поля взаємодій і змінила пануючу до кінця XIX в. гіпотезу дальнодействия.

У класичній фізиці були відомі лише два фундаментальні взаємодії: гравітаційне і електромагнітне, що базується на положенні, наступного з рівнянь Максвелла: електрику і магнетизм - дві сторони однієї і тієї ж електромагнітної сили.

Гравітаційне і електромагнітне взаємодії отримали фізичне опис у фундаментальних силах відповідних взаємодій, виражених як в нової формі взаємодії гравітаційних зарядів (точкових мас):  (Закон всесвітнього тяжіння І. Ньютона) і точкових електричних зарядів:  (Закон Ш. Кулона), так і в польовій формі:  , де  - Локальне значення напруженості гравітаційного поля, що збігається на планеті Земля з прискоренням вільного падіння; = [  ] - Узагальнена сила Лоренца.

У квантово-польової фізичної дослідницькій програмі були відкриті ще два фундаментальні взаємодії: сильна й слабка, а також досліджено основні порівняльні характеристики фундаментальних взаємодій (див. Схему 21).

Схема 21. Основні порівняльні характеристики фундаментальних взаємодій.

 вид взаємодії  Приклади прояву взаємодій  Константа взаємодії  радіус взаємодії
 сильне  Взаємодія нуклонів в ядрах атомів, а також всіх адронів  1,0   м
 електромагнітне  Взаємодія електричних зарядів, струмів, електричних і магнітних полів    
 Слабке  Взаємодія елементарних частинок при радіоактивному розпаді і їх взаємоперетворення     м
 гравітаційне  Взаємодія всіх тіл

У 1964 році була висунута М. Гелл-Манном гіпотеза про те, що адрони не є елементарними, а складовими частками, що складаються з фундаментальних елементарних частинок - кварків, а в 1967 році С. Вайнберг, Ш. Глешоу і А. Салам показали, що електромагнітне і слабке взаємодії являють собою один і той же взаємодія (електрослабкої), що було підтверджено в 1983 році експериментально на прискорювачі в ЦЕРН при енергії  Гев.

Теорія вводить додаткові частки (два різнозаряджені бозона и  , А також нейтральний бозон  ) І нове поле особливого типу (скалярний поле Хіггса). Ці відкриття стимулювали теорію «Великого об'єднання» (ТВО) сильної і слабкої взаємодій, які використовують поняття єдиного каліброваного поля (єдиної теорії елементарних частинок) а рівень майбутніх фізичних теорій будується на моделі гіпоміра з відповідними Планка величинами. Структура ТВО відображена на схемі 22.

Схема 22. Структура теорії «Великого об'єднання».

Сильне і слабке взаємодії об'єднуються при дуже високих енергіях порядку  Гев. Для підтвердження ТВО необхідно експериментально виявити розпад протона (час життя протона більше  років (вік Всесвіту ~  років).

Схема ТВО не включає об'єднання гравітаційної взаємодії з іншими взаємодіями через практично відсутнього впливу гравітації на інтенсивність інших взаємодій і на хід реакцій перетворення елементарних частинок, хоча теоретичні схеми такого «Сверхвелікого об'єднання» розробляються на основі об'єднання супергравітації з внутрішньої симетрією ОТО. Дана теорія вводить частинки - переносники зі спіном  (Гравітон) і частки зі спіном  (Гравітіно). Важливу роль в схемах такого об'єднання відіграє теорія струн, а також нові уявлення про суперсиметрії, яка зв'язує між собою бозони (переносники) і ферміони (кварки і лептони). Об'єднання вважається можливим при енергіях порядку  Гев, що відповідає температурі  (Такі умови відповідають ранній стадії виникнення Всесвіту).

Характерно, що майбутня теорія будується на трьох основних світових константи:  - Швидкості поширення взаємодії (і інформації);  - Гравітаційної постійної і  - Постійної Планка, які задають і загальну структуру розділів теоретичної фізики (див. Схему 23).

Схема 23. Загальна структура розділів теоретичної фізики.

З іншого боку, світові константи визначають межі застосування сучасних фізичних теорій. Ми особливу увагу приділимо концептуальним основам фізичних теорій, що спираються фактично на одну зі світових констант. При цьому ми вважаємо важливим до основних констант (  ) Додати ще одну світову константу K Б =  Дж /K - Постійну Больцмана, яку можна розглядати як мінімальну ентропію, тобто як мінімальну міру Хаосу, і пов'язати з нею взаємопроникнення Порядку і Хаосу в рівноважної термодинаміки закритих термодинамічних систем, а тим більше, в нерівноважної термодинаміки відкритих дисипативних систем і структур.

Як ми вже відзначали, поняття системи, структури, Хаосу і Порядку мають принципове значення для всього загального природознавства.

 



 Фізика в контексті інтелектуальної культури |  Єдність простору, часу і матерії. Принципи відносності. принцип симетрії

 Принципи суперпозиції, невизначеності, відповідності та додатковості. Принцип простоти фізичних теорій |  Статистичні та динамічні закономірності в природі |  фізика Всесвіту |  Схема 36. еволюція зірок |  Схема 37. Модель Сонячної системи. |  Схема 39. Космологічні моделі Фрідмана-Леметра, що включають великий вибух. |  Схема 40. Симетрії Порядку і Хаосу О-точки. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати