Текст книги "Концепции современного естествознания. Учебное пособие"

Лекция 6. Физика о микроуровне организации материи

В микромире рушатся наши обычные представления о реальности. Например, частицы не стареют, внутри протона есть мезон, а сам мезон в свою очередь содержит протон. Это реальность, в которой 1 + 1 зачастую не равно 2. Так, если соединить две ядерные частицы – протон и нейтрон – в одну связанную систему, называемую дейтроном, оказывается, что его масса несколько меньше суммы масс протона и нейтрона.

1. Вероятностные законы как особенность квантовой теории

Квантовая теория совершила революцию в нашем понимании событий в природе. В рамках квантовой теории нельзя более делать абсолютно достоверные утверждения; можно описать лишь вероятность наступления какого-либо события. Так, при игре в рулетку человек может вычислить вероятность выигрыша. Например, известно, что нейтрон – частица, которая не является стабильной. Нейтрон распадается за определенное время, причем в качестве конечных продуктов рождаются протон и другие частицы. Однако оказывается невозможным указать точный промежуток времени, по прошествии которого произойдет распад нейтрона. Можно указать лишь вероятность этого события. Например, можно утверждать, что с вероятностью 50 % нейтрон распадается через 10 минут (это время называется периодом полураспада). То есть из 1000 нейтронов 500 распадется через 10 минут. Еще 250 – через 10 минут. По всей видимости, мы не можем делать однозначных утверждений относительно одной микрочастицы, а только о большом их количестве.

Таким образом, вероятностные законы квантовой механики позволяют высказывать суждения о большом числе состояний, в данном случае о большом числе нейтронов. В то же время нельзя сказать определенно об одном нейтроне. В квантовой теории невозможно абсолютно достоверно предсказать результат какого-либо физического процесса, можно лишь определить вероятность того, что произойдет.

Неоднократно делались попытки интерпретировать вероятностные предсказания квантовой теории как следствие нашего незнания соответствующих элементарных процессов. Можно представить себе, что нейтрон по существу является весьма сложным образованием, внутри которого протекают какие-то неведомые процессы. Выдвигалось предположение, что нейтрон распадается, когда происходит совершенно определенный процесс. Вероятность предсказания зависит от незнания процессов, протекающих внутри частицы, в данном случае внутри нейтрона. Если бы мы знали протекание этих процессов, то смогли бы точно указать момент времени, в который распадается наблюдаемый нейтрон.

Однако сегодня ученые убеждены, что вероятностные предсказания отражают абсолютную границу нашей способности познания, а не наше незнание соответствующих элементарных процессов. Ученые считают, что никогда не появится возможность сказать, в какой момент распадется отдельный нейтрон.

Таким образом, квантовая теория устанавливает некую незыблемую границу так же, как теория относительности утверждает, что скорость света – максимально возможная скорость в природе. Трудно принять эти ограничения. Например, А. Эйнштейн до конца своих дней сомневался в вероятностной интерпретации квантовой теории. Широко известна его фраза: «Бог не играет в кости».

В чем причина вероятностной интерпретации? Причина заключается в неполноте используемых понятий в квантовой теории. Понятия определяются и вводятся из области макроскопической физики. Такие понятия, как координата, скорость, масса, без каких-либо трудностей не могут быть перенесены на область атомов и элементарных частиц. При описании процессов микромира мы используем привычные понятия макроуровня и получаем вероятностные результаты.

Итак, законы квантовой физики – это статистические законы. Статистические законы были открыты Дж. Максвеллом в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу иначе, чем в механике И. Ньютона.

Для статистических законов характерно следующее: любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы; вероятность значений физических величин определяется внутри заданных интервалов.

В отличие от этого, динамические законы отображают объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Так, классическая механика содержит совокупность динамических законов.

2. Корпускулярно-волновой дуализм. Модель и реальность

Что представляет собой свет? Свет описывается теорией электромагнитных волн, а также в терминах фотонов, т. е. существует дуализм света, свет есть волна и частица. Французский физик Луи де Брюль в 1924 г. высказал идею, что дуализм волна – частица должен быть справедлив для всех других частиц. Это доказано экспериментально. Поведение потока частиц – электронов, атомов, молекул – при встрече с препятствиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции и др. Можно наблюдать дифракцию электронов на тонкой пластине слюды и дифракцию нейтронов на кристалле кварца.

Когда возникла дилемма – какая же теория верна, Нильсом Бором было предложено решить ее по принципу дополнительности. Невозможно описать протекание процессов в микромире, выбрав одну из возможных теорий – волновую или квантовую. Некоторые эффекты можно описать волновой теорией, некоторые квантовой. Используются и та и другая теория при решении конкретных задач.

Вернемся к вопросу, что же представляет собой свет на самом деле – волну или частицу? Дело в том, что волна и частица – это физические понятия. Физические понятия не являются сами по себе физическими объектами – они лишь более или менее подходящие абстракции. В них концентрируется наше понимание окружающего мира (в особенности научное понимание). Как нельзя утверждать, что на радужной оболочке глаза находится миниатюрная копия рассматриваемого предмета, ведь речь идет о его проекции, образованной отраженным от него светом, так и физические понятия являются моделями объектов. Ни одна модель не описывает всех свойств реальных объектов, она, как правило, передает те свойства, которые в данном случае нас интересуют или же считаются наиболее существенными. Модели, составляющие часть теории, являются приближенно адекватным отражением реальности в нашем сознании.

На данном этапе развития науки дуализм в понимании материи не преодолен и, видимо, преодолен не будет. Дуализм в понимании материи показывает нам, что мы описываем мир недостаточно адекватными моделями.

3. Принцип неопределенности

Обычно понятие неопределенности, или неточности, мы связываем с точностью измерений. Любое измерение, проводимое над физическим объектом, ограничено в своей точности. Точность эталонов метра не превышает ±10^-7 м, веса – ±10^-7 кг, времени – ±10^-8с. Точность измерений всегда будет иметь естественный абсолютный нижний предел, несмотря на совершенствование техники.

Соотношение между пределами точности одновременного определения различных величин носит название соотношения неопределенностей. Оно было сформулировано Вернером Гейзенбергом в 1925 г. Согласно принципу неопределенности:

Δх × Δр = h,

где Δх – ширина отверстия, через которое пролетает частица,

Δр – боковой импульс, т. е. величина, отражающая отклонение частицы;

h – 6.6 x 10^-34 Дж/с – постоянная Планка.

Формулировка закона:

Координата и импульс микрочастицы никогда не могут быть определены с любой точностью.

Чем точнее определяется координата частицы (т. е. чем меньше ширина отверстия), тем менее точно можно одновременно измерить ее импульс (по сути скорость).

Принцип неопределенности применим к микротелам. Например, чтобы определить координату протона, можно направить на него световые лучи. Заключение о местоположении протона можно сделать по характеру отраженных от протона световых волн. Однако одновременно скорость точно определить нельзя, т. к. при попадании на протон световых волн скорость его движения изменится или же он начнет двигаться в случае начального состояния покоя. Если же нам необходимо точно определить скорость, мы должны отказаться от точного знания координат протона.

Можно ли применить этот принцип к макротелам? Возьмем в качестве примера макротела легковой автомобиль. Предположим, что он движется по соседней с нами дороге со скоростью 50 км/ч. В данном случае мы можем одновременно определить скорость и координату автомобиля. Допустим, что рядом с нами находится сотрудник автоинспекции, которого заинтересовала величина скорости автомобиля. Имеющийся у него радиолокатор определяет необходимую величину скорости по волнам, направленным на автомобиль.

Когда радиолокационный сигнал попадает на автомобиль, а затем отражается от него, сам автомобиль получает некоторый (хотя и очень маленький) импульс. Если сигнал попадает на автомобиль сзади, последний несколько ускоряет свое движение. В действительности это ускорение ничтожно мало и им можно пренебречь. Точность определения скорости и координаты объекта макроуровня основана на возможности пренебречь энергиями и импульсами используемых сигналов.

Таким образом, на макроуровне организации материи принцип неопределенности также действует. Однако неопределенность намного меньше размера атома, поэтому им можно пренебречь.

4. Элементарные частицы

Известно, что первая физика как наука была сформулирована еще Аристотелем (384–322 гг. до н. э.), просуществовав около 2000 лет без существенных изменений. Не перестаешь удивляться, что многие идеи, высказанные в древности, не опровергнуты и по сей день. Хотя Аристотель считал, что вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды, на которые действуют две силы – сила тяжести и сила легкости, – все же подход к строению Вселенной, когда все делится на вещество и силы, сохранился и по сей день.

По Аристотелю, вещество непрерывно, т. е. любой кусочек вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до самой мельчайшей крупинки, которая бы не делилась. И в настоящее время существует представление, что материя неисчерпаема вглубь. В настоящее время известно около 400 микрочастиц, и это, видимо, не предел.

Еще со школьной скамьи нам известно, что вещества – твердые тела, жидкости, газы – состоят из атомов. В свою очередь каждый атом – это как бы маленькая солнечная система: в центре – солнце-ядро, вокруг вращаются планеты-электроны. Оказывается, что не только газообразные, но и твердые вещества состоят в основном из пустоты. Если сравнить ядро с футбольным мячом, то сам атом будет иметь размер, приблизительно равный 1 км. В ядре сосредоточено более 99 % полной массы атома. Атомное ядро состоит из протона и нейтрона и окружено облаком из отрицательно заряженных электронов. Электроны – очень легкие частицы. В ядре водорода один-единственный протон, в ядрах тяжелых элементов, например в свинце или уране, их уже более двухсот, причем протонов приблизительно столько же, сколько и нейтронов. Протоны и нейтроны настолько похожи друг на друга своими свойствами, что физики считают их как бы двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда – это нейтрон, когда же в результате взаимодействия он получит заряд, возникает протон. В каком-то смысле нуклон напоминает монету: одна ее сторона – протон, а другая – нейтрон.

Подобным же образом можно сгруппировать и другие частицы с близкими свойствами. Каждая из них представляет собой как бы сторону единого многогранника. Частицу мезон, например, можно уподобить трехгранной пирамиде: одна ее сторона соответствует отрицательно заряженному мезону, вторая – мезону с положительным зарядом, а третья – их нейтральному собрату.

Протоны и нейтроны очень быстро испускают и поглощают легкую частицу мезон, тем самым создавая вокруг себя облако электрических зарядов. Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон. Возникает вопрос, как же протон может превратиться в более тяжелый нейтрон, при этом оторвав от себя некоторую массу в виде мезона? Тем не менее такое происходит без нарушения закона сохранения энергии. Благодаря особенностям волнового движения микрочастиц их траектории (можно сказать, даже сами частицы) как бы размазаны в пространстве. При этом скорость, а следовательно, и энергия частицы в течение очень короткого времени оказываются несколько неопределенными – как раз настолько, чтобы скомпенсировать кажущееся несохранение энергии. Многие удивительные явления микромира объясняют виртуальные частицы, которые рождаются и быстро исчезают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. Они рождаются в результате квантовой флуктуации (отклонения от нормы) массы и энергии. Так, внутри протона существуют виртуальные мезоны. Эксперименты показали, что протоны и нейтроны состоят из кварков и антикварков, которые никак не удается выделить в свободном виде.

У каждой реальной частицы есть античастица, например у электрона – позитрона, протона – антипротон и т. д. У фотона нет античастицы, но он является виртуальной частицей. Когда частицы и античастицы сближаются на малое расстояние, они имеют тенденцию взаимно уничтожаться, аннигилировать с выделением энергии. В результате этого процесса происходит превращение массы в энергию в соответствии с законом А. Эйнштейна об эквивалентности материи (вещества) и энергии. Таким образом, изучение строения вещества – это одновременно и поиски новых энергетических возможностей.

Понятие античастицы приводит к понятию антивещества. Ученые в лабораториях порождают формы антивещества. Например, антипротон и антинейтрон объединяются в антидейтрон. Однако значительное количество антивещества создать невозможно, т. к. античастицы имеют тенденцию вступать в реакцию с веществом исследовательской аппаратуры, т. е. аннигилировать. Это не исключает, что где-нибудь в космосе имеются большие области антивещества, например антизвезды, антигалактики. В принципе, можно себе представить, что существуют антизолото, антисвинец и т. д. Если дать возможность проаннигилировать 1 кг вещества и 1 кг антивещества, полученной при этом энергии могло бы хватить Саратовской области не меньше чем на год. Однако вокруг нас гораздо больше частиц, чем античастиц.

Частицы имеют вращательную характеристику – спин. Спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает прежний вид лишь после полного оборота на 360°. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (1800). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Частицы, спин которых равен 1/2, необходимо повернуть на два полных оборота, чтобы они приняли прежний вид. В табл. 2 приведены основные характеристики стабильных и относительно стабильных элементарных частиц. Они располагаются в порядке возрастания массы (за единицу массы выбрана масса электрона). В настоящее время понятие элементарного стало достаточно условным. Частицы называют элементарными по традиции, на самом деле каждый такой «элемент» – сложная материальная система. Всякая частица распадается на несколько других, те в свою очередь тоже распадаются и т. д. Получается единая, крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы одновременно являются и элементарными, и сложными. Характерная особенность частиц, которые относят к разряду элементарных, состоит в том, что они способны превращаться друг в друга, порождать друг друга в различных процессах взаимодействия. Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц оказываются неприменимыми. Например, π – мезон, входящий в состав протона, имеет почти такой же радиус, как и протон, т. е. часть имеет такие же размеры, что и целое. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое.

Элементарные частицы образуют одно тесное сообщество. Существование одной частицы так или иначе связано с наличием другой. Одни частицы порождают другие. Для обозначения многообразных связей физики используют понятие взаимодействия.

Таблица 2. Элементарные частицы

5. Типы физического взаимодействия

Для существования окружающего нас вещества необходимы не только частицы, которые входят в его структуру, такие как электроны, протоны, нейтроны, но и частицы склеивающих полей – ядерного, электромагнитного и гравитационного. Бозон, глюон, фотон и гравитон – это безмассовые, виртуальные частицы-переносчики. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что, в отличие от «реальных» их нельзя непосредственно зарегистрировать с помощью детектора частиц. Существуют два типа ядерного взаимодействия – сильное и слабое. Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. В ядре урана имеется 92 протона. С точки зрения электродинамики трудно удержать столь большое число протонов в таком маленьком объеме, как объем атомного ядра, с учетом отталкивания между протонами. Сила ядерного взаимодействия оказывается большой на расстоянии порядка 10^-13 см. Этим определяется типичный размер атомного ядра – по порядку величины 10^-12– 10^-13см. Переносчиком сильного взаимодействия считается глюон.

Бозон – частица-переносчик слабого взаимодействия (существуют 3 такие частицы W⁺, W^-, Z⁰). Оно действует только в микромире и ответственно за многие ядерные процессы, среди которых один из наиболее известных – превращение нейтронов в протоны (β-распад). Самым слабым взаимодействием является гравитационное. В микромире оно теряется на фоне других сил. Например, сила электростатического отталкивания электронов в 10⁴⁰ раз больше силы их гравитационного притяжения. Однако гравитационное взаимодействие в микромире сравнивается с другими при высокой плотности вещества 10⁹⁴ г/см³ (планковская плотность), когда наступает гравитационный коллапс. Гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. Частица-переносчик гравитационного взаимодействия называется гравитоном.

Электромагнитное взаимодействие создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами отталкивания, так и силами притяжения. В больших телах, например Солнце или Земле, количество положительных и отрицательных зарядов почти одинаково, поэтому силы почти компенсируются. В малых масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой электромагнитные взаимодействия. Частицами-переносчиками данного взаимодействия являются фотоны.

Лекция 7. Мегамир: современные космологические концепции вселенной

Звездное ночное небо, усеянное бесчисленным множеством звезд, мерцающих и постоянно светящихся, с древнейших времен привлекало человека.

Люди восхищались, пытались как-то осмыслить, понять блистающее над ними чудо. Было высказано немало фантастических предположений, догадок, противоречивых мнений, создано множество мифов, сказок.

Однако научные представления о космосе, звездах начинают складываться со времен Николая Коперника, создается гелиоцентрическая система. Его и считают основателем научной космологии.

Современная космология – это астрофизическое учение о Вселенной как целом, теория ее структуры и динамики, основанная на изучении наиболее общих свойств (однородности, изотропности и расширения), доступных для исследования части универсума.

Теоретической основой научной космологии являются фундаментальные физические теории (общая теория относительности, теория поля и др.). Ее эмпирический базис составляет внегалактическую астрономию.

Общие теоретические выводы космологии важны в общенаучном и философском значении. Объектами изучения космологии являются планеты, звезды, галактики, метагалактика и более мелкие космические тела.