Современные физики – Нерешённые проблемы современной физики — Википедия - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Современная физика, Глава 4. Новая физика. Дао физики. Капра Ф. Страница 8. Читать онлайн

Современная физика.

Первые три десятилетия нашего столетия радикально изменили положение дел в физике. Одновременное появление теории относительности и теории атома поставило под сомнение представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, о твердых элементарных частицах, о строгой причинной обусловленности всех физических явлений и о возможности объективного описания природы. Старые понятия не находили применения в новых областях физики.

У истоков современной физики – великое свершение одного человека, Альберта Эйнштейна. Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые мысли. Первая стала основой специальной теории относительности Эйнштейна; вторая заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома – квантовой теории. Квантовая теория в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн. Научные труды Эйнштейна увековечили грандиозные достижения человеческого разума, став своего рода пирамидами современной цивилизации.

Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики – электродинамики и механики – под эгидой специальной теории относительности. Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве и подорвала одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный “пространственно-временной” континуум. Пространство, как и время, не существует само по себе. Далее, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывали бы разную их последовательность. В таком случае, два события, одновременные для одного наблюдателя, для других произойдут в различной последовательности. В результате, все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер. И время, и пространство – лишь элементы языка, который использует некий наблюдатель для описания наблюдаемых явлений.

Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное последствие этого изменения – осознание того, что масса – одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е=мс² в котором с – скорость света.

Эта константа исключительно важна для теории относительности. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света, всегда следует пользоваться теорией относительности. В особенности это касается электромагнитных явлений, одним из которых является свет, и которые подвели Эйнштейна к созданию его теории,

В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, в отличие от специальной, учитывала гравитацию, то есть взаимное притяжение всех тел с большой массой. В то время, как специальная теория была подвержена множеству экспериментов, общая теория еще не нашла своего окончательного подтверждения. И все же она является наиболее широко признанной, последовательной и изящной теорией гравитации, и находит широкое применение в астрофизике и космологии.

Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна “искривлять” время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. На плоскости, например, мы можем нарисовать квадрат следующим образом: отмерить один метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить один метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, наконец, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. Однако на поверхности шара эти правила не подействуют. Точно таким же образом евклидова геометрия бесполезна в искривленном трехмерном пространстве. Далее, теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.

Пространство вокруг таких тел – планет, звезд и т. д. – искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, и понятие “пустого пространства” также теряет смысл.

Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой “зоне средних измерений”, то есть в области нашего обыденного опыта, когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления о пустом пространстве и о твердых материальных телах, – настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение “пустое пространство” утратило смысл в астрофизике и космологии – науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой – наукой о бесконечно малом.

В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей – нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны п другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых “радиоактивных элементов”. Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

Эти явления не только активно изучались, но и использовались для еще более глубокого проникновения в тайны природы. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами, определяя по их траекториям после столкновения, как устроен атом.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы – электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома – примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю – таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире-купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола – такими увидели бы мы ядро и электроны.

Вскоре после появления этой “планетарной” модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома – гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона – атома водорода, а также соответствующее число электронов к “оболочке” атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.

Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Лун де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга, “они каким-то образом прониклись духом квантовой теории”, и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.

Однако даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями классической физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей – единицей чрезвычайно малого объема – и волной, способной перемещаться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их “квантами” и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.

Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, “может существовать”; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, “могут происходить”. Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не “настоящие” трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это “вероятностные волны” – абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

Таким образом, квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаимосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике показал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир на отдельные “строительные кирпичики”. Проникая в глубины вещества, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непременно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.

Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, состоят из почти пустого пространства, если рассматривать с точки зрения их распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими словами, что придает веществу твердость?

Вторая загадка – невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Для начала скажем, что твердость материи-результат типичного “квантового эффекта”, обусловленного двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою скорость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может быть равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.

Таким образом, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке орбиты, но не можем сказать, что они “вращаются вокруг ядра” в понимании классической механики.

На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так называемых “стоячих волн”. Эти паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в некотором конечном пространстве, как, например, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис. 6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется “стационарным состоянием” атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в “возбужденном состоянии”, из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому два атома – скажем, кислорода, – абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние – например, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Состояния атома могут быть описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название “квантовых чисел” и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число – это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы находиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона, причем не следует понимать “вращение” электрона в классическом механистическом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно – от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.

Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения атомов с одного “квантового состояния” на другое и глубокая взаимосвязанность всех явлений – вот некоторые черты необычной для нас атомной действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование молекул – соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.

В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все, что нам нужно знать о ядрах атомов – величина их заряда и их масса. Однако тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в тридцатые годы нашего века, после того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра.

Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первым является протон) – нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра – совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли) что перед ними-новая сила природы, не существующая вне ядра.

Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность – не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, “нуклоны”, как часто называют нейтроны, реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость очень высока – около сорока тысяч миль в секунду. Таким образом, ядерное вещество – одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное вещество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.

Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные свойства – мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расстоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие.

Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют очень большой процент от общей массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.

Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том условии, что температура не очень высока, и колебательные движения молекул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, например, имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре находятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные процессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообразных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнаружив, что постоянный поток солнечной энергии – результат ядерных реакции.

В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых годов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что “строительные кирпичики” материи наконец открыты. Тогда уже стало известно, что вся матерня состоит из атомов, а атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые “элементарные” частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что материя состоит из “строительных кирпичиков”, и даже сейчас эта точка зрения находит достаточно сторонников.

Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое из них носило экспериментальный характер, второе – теоретический, и оба были сделаны в тридцатые годы. Что касается экспериментальной стороны, то усовершенствование техники проведения эксперимента и разработка новых приборов детекции частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 – восемнадцать, а к настоящему времени их известно более двухсот. В такой ситуации слово “элементарный” вряд ли применимо. По мере увеличения количества известных частиц росла уверенность в том, что не все из них могут так называться, а сегодня многие физики считают, что этого названия не заслуживает ни одна из них.

Эта точка зрения подкрепляется теоретическими исследованиями, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после выдвижения квантовой теории стало очевидно, что она не является всеобъемлющей теорией для описания ядерных явлений, и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы, ограниченные в пределах ядра, часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, так как описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности и быть, как говорят физики, “релятивистским”. Поэтому для точного понимания мира ядра нам нужна теория, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию, Такая теория еще не выдвигалась, и поэтому попытки полного описания ядра были обречены на неудачу. Хотя мы немало знаем о строении ядра и о взаимодействиях ядерных частиц, мы не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории ядерной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Существует несколько “квантово-релятивистских” моделей, вполне удовлетворительно отражающих отдельные аспекты мира частиц, но слияние квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остается основной из пока нерешенных задач, стоящих перед современной физикой.

Теория относительности оказала сильное воздействие на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией – с неким “материалом”, из которого, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции. являясь одной из форм энергии. Однако энергия – это динамическая величина, связанная с деятельностью или процессами. Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы некой частицы.

Начало новому взгляду на частицы положил Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для описания поведения электронов. Теория Дирака не только очень успешно описывала сложные подробности строения атома, но также обнаружила фундаментальную симметричность матерни и антиматерии, предсказав существование антиэлектрона, обладающего массой электрона, но с противоположным зарядом. И в самом деле, два года спустя была открыта такая положительно заряженная частица, получившая название позитрона. Из принципа симметричности материи и антиматерии следует, что для каждой частицы существует античастица с той же массой и зарядом противоположного знака. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции. Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз.

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии – воистину самое необыкновенное следствие из теории относительности, которое можно объяснить только при условии использования выше описанного подхода. До того, как физика стала рассматривать частицы с позиции теории относительности, считалось, что материя состоит либо из неразрешимых и неизменяемых элементарных частиц, либо из сложных объектов, которые можно разложить на более мелкие; и вопрос был только в том, возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или существуют мельчайшие неделимые частицы. Открытие Дирака осветило проблему делимости вещества новым светом. При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых, однако, не меньше размеров исходных частиц. Это частицы такого же типа, возникающие из энергии движения (кинетической энергии), задействованной в процессе столкновения. В результате проблема делимости материи решается совершенно непредвиденным образом. Единственный способ дальнейшего деления субатомных частиц – их столкновение с использованием высокой энергии. Таким образом, мы можем снова и снова делить материю, но не можем получить более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Итак, субатомные частицы одновременно делимы и неделимы.

Это положение дел будет казаться парадоксальным до тех пор, пока мы придерживаемся взглядов о сложных “предметах”, состоящих из “строительных кирпичиков”. Парадокс исчезает только при динамическом релятивистском подходе. Тогда частицы воспринимаются как динамические паттерны или как процессы, задействующие некоторое количество энергии, заключенное в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, и, если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.

Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия гарантируется в огромных, достигающих в окружности нескольких миль, ускорителях частиц, в которых протоны разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем сталкиваются с другими протонами или нейтронами.

Большинство частиц, возникающих пои столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Несмотря на крайне непродолжительный срок существования, можно не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы. Для фиксации следов, или треков, частиц используются специальные так называемые “пузырьковые камеры”. Принцип их действия напоминает след реактивного самолета в небе. Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей. Столкновения частиц – основной эксперементальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики.

Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как “элементарная частица”, “материальная субстанция” и “изолированный объект”. Вселенная предстапляет собой подвижную сеть неразделенно связанных энергетических процессов. Всеобъемлющая теория для описания субатомной действительности еще не найдена, но уже сейчас существует несколько моделей, вполне удовлетворительно описывающих ее определенные аспекты. Все они несвободны от математических трудностей и порою противоречат друг другу, все же отражая при этом глубинное единство и подвижность материи. Они показывают, что свойства частицы могут быть поняты только в терминах ее активности, то есть ее взаимодействия с окружающей средой, и что частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого.

Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. При релятивистском подходе считается, что эти силы эквивалентны таким же частицам. Подобную картину сложно себе представить. Такое положение дел обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности, с которой сложно иметь дело и нашей интуиции, и вербальному мышлению. Однако осознать необходимо, если мы хотим постичь субатомные явления. Релятивистский подход соотносит силы, действующие между составными частями вещества, со свойствами этих составных частей и таким образом объединяет два понятия – понятия силы и вещества – которые со времени греческих атомистов казались абсолютно самостоятельными. Сейчас считается, что и сила, и материя берут свое начало в динамических системах, которые мы называем частицами.

Тот факт, что частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы, – еще одно свидетельство в пользу нашего утверждения о невозможности разделения субатомной действительности на составные части. Начиная от нашего макроскопического окружения и вплоть до уровня ядра силы притяжения относительно слабы, и можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы-из ядер и электронов, а ядра – из протонов н нейтронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим.

В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны тоже могут быть разложены на составные части, однако то обстоятельство, что силы притяжения внутри них столь сильны, или же, что, в сущности, одно и то же, скорости их компонентов столь высоки, указывает на необходимость применения релятивистского подхода, в рамках которого все силы одновременно являются частицами. Таким образом, стирается различие между частицами – компонентами нуклона и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения, и вышеупомянутое обобщение теряет силу. Мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.

Психология bookap

Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Здесь традиционные понятия пространства и времени, изолированных объектов, причины и следствия теряют смысл. В то же время, похожие представления издавна имели место в восточных мистических традициях. Эта параллель становится очевидной при рассмотрении квантовой теории и теории относительности и, в еще более значительной степени, при рассмотрении квантово-релятивистских моделей субатомной физики, объединяющих обе теории.

Перед подробным обсуждением этих параллелей я кратко расскажу о некоторых философских учениях Востока, которые, вероятно, мало знакомы читателю. Я имею в виду различные философские школы таких религиозно-философских учений, как индуизм, буддизм и даосизм. В последующих пяти главах описываются взгляды этих школ, а также исторические обстоятельства, в которых они сформировались, причем наибольшее внимание уделяется тем разделам учения, которые представляют интерес для последующего сопоставления с физикой.

bookap.info

Современная физика

Количество просмотров публикации Современная физика – 494

У истоков современной физики — великое свершение одного человека, Альберта Эйнштейна. Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые мысли. Первая стала основой специальной теории относительности Эйнштейна; вторая заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома — квантовой теории. Квантовая теория в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. При этом теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн. Научные труды Эйнштейна увековечили грандиозные достижения человеческого разума, став своего рода пирамидами современной цивилизации.

Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики — электродинамики и механики — под эгидой специальной теории относительности. Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве и подорвала одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный ʼʼпространственно-временнойʼʼ континуум. Пространство, как и время, не существует само по себе. Далее, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывали бы разную их последовательность. В таком случае, два события, одновременные для одного наблюдателя, для других произойдут в различной последовательности. В результате, все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер.
Размещено на реф.рф
И время, и пространство — лишь элементы языка, который использует некий наблюдатель для описания наблюдаемых явлений.

Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное последствие этого изменения — осознание того, что масса — одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е=мс^2в котором с— скорость света.

Эта константа исключительно важна для теории относительности. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света͵ всегда следует пользоваться теорией относительности. В особенности это касается электромагнитных явлений, одним из которых является свет, и которые подвели Эйнштейна к созданию его теории.

Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна ʼʼискривлятьʼʼ время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не должна быть применена на поверхности сферы. На плоскости, к примеру, мы можем нарисовать квадрат следующим образом: отмерить один метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить один метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, наконец, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. При этом на поверхности шара эти правила не подействуют. Точно таким же образом евклидова геометрия бесполезна в искривленном трехмерном пространстве. Далее, теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.

Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не должна быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, и понятие ʼʼпустого пространстваʼʼ также теряет смысл.

Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой ʼʼзоне средних измеренийʼʼ, то есть в области нашего обыденного опыта͵ когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления — о пустом пространстве и о твердых материальных телах, — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение ʼʼпустое пространствоʼʼ утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой — наукой о бесконечно малом.

В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. При этом рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых ʼʼрадиоактивных элементовʼʼ. Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю — таковы атомы, из которых состоит апельсин. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, атом во много раз меньше любого известного нам предмета͵ но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире — купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола — такими увидели бы мы ядро и электроны.

Вскоре после появления этой ʼʼпланетарнойʼʼ модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента͵ а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона — атома водорода, а также соответствующее число электронов к ʼʼоболочкеʼʼ атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне должна быть, в принципе, понята на базе законов атомной физики.

Эти законы не так-то легко было открыть. Οʜᴎ были сформулированы лишь в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки узнать , в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. При этом, убедившись в данном, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга, ʼʼони каким-то образом прониклись духом квантовой теорииʼʼ, и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.

При этом даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями классической физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объёма — и волной, способной перемещаться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их ʼʼквантамиʼʼ и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.

Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, ʼʼможет существоватьʼʼ; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, ʼʼмогут происходитьʼʼ. Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не ʼʼнастоящиеʼʼ трехмерные волны, как, к примеру, волны на поверхности воды. Это ʼʼвероятностные волныʼʼ — абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаимосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике показал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир на отдельные ʼʼстроительные кирпичикиʼʼ. Проникая в глубины вещества, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непременно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.

Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, состоят из почти пустого пространства, в случае если рассматривать с точки зрения их распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими словами, что придает веществу твердость?

Вторая загадка — невероятная механическая стабильность атомов. К примеру, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. При этом сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Стоит сказать, что для начала скажем, что твердость материи — результат типичного ʼʼквантового эффектаʼʼ, обусловленного двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. Когда частица находится в ограниченном объёме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою скорость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она должна быть равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и в связи с этим материя кажется нам твердой.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке орбиты, но не можем сказать, что они ʼʼвращаются вокруг ядраʼʼ в понимании классической механики.

На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так называемых ʼʼстоячих волнʼʼ. Эти паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в некотором конечном пространстве, как, к примеру, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис. 6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр.
Размещено на реф.рф
К примеру, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая принято называть ʼʼстационарным состояниемʼʼ атома. Оттуда электрон, получив крайне важно е количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в ʼʼвозбужденном состоянииʼʼ, из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. По этой причине два атома — скажем, кислорода, — абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние — к примеру, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Состояния атома бывают описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название ʼʼквантовых чиселʼʼ и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число — это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы находиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона, причем не следует понимать ʼʼвращениеʼʼ электрона в классическом механистическом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно — от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.

Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения атомов с одного ʼʼквантового состоянияʼʼ на другое и глубокая взаимосвязанность всех явлений — вот некоторые черты необычной для нас атомной действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование молекул — соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.

В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур.
Размещено на реф.рф
Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все, что нам нужно знать о ядрах атомов — величина их заряда и их масса. При этом тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. По этой причине в тридцатые годы нашего века, после того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра.

Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первым является протон) — нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра — совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними — новая сила природы, не существующая вне ядра.

Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, в случае если бы человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. При этом такая высокая плотность — не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, ʼʼнуклоныʼʼ, как часто называют нейтроны, реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объём, их скорость очень высока — около сорока тысяч миль в секунду. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ядерное вещество — одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное вещество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.

Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные свойства — мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расстоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие.

Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют очень большой процент от общей массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур.
Размещено на реф.рф
Οʜᴎ также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.

При этом эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том условии, что температура не очень высока, и колебательные движения молекул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, к примеру, имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре находятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные процессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообразных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Стоит сказать, что для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнаружив, что постоянный поток солнечной энергии — результат ядерных реакции.

В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых годов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что ʼʼстроительные кирпичикиʼʼ материи наконец открыты. Тогда уже стало известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые ʼʼэлементарныеʼʼ частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что материя состоит из ʼʼстроительных кирпичиковʼʼ, и даже сейчас эта точка зрения находит достаточно сторонников.

При этом последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое из них носило экспериментальный характер, второе — теоретический, и оба были сделаны в тридцатые годы. Что касается экспериментальной стороны, то усовершенствование техники проведения эксперимента и выработка новых приборов детекции частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 — восемнадцать, а к настоящему времени их известно более двухсот. В такой ситуации слово ʼʼэлементарныйʼʼ вряд ли применимо. По мере увеличения количества известных частиц росла уверенность в том, что не все из них могут так называться, а сегодня многие физики считают, что этого названия не заслуживает ни одна из них.

Эта точка зрения подкрепляется теоретическими исследованиями, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после выдвижения квантовой теории стало очевидно, что она не является всеобъемлющей теорией для описания ядерных явлений, и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы, ограниченные в пределах ядра, часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, так как описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности и быть, как говорят физики, ʼʼрелятивистскимʼʼ. По этой причине для точного понимания мира ядра нам нужна теория, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию. Такая теория еще не выдвигалась, и в связи с этим попытки полного описания ядра были обречены на неудачу. Хотя мы немало знаем о строении ядра и о взаимодействиях ядерных частиц, мы не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории ядерной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Существует несколько ʼʼквантово-релятивистскихʼʼ моделей, вполне удовлетворительно отражающих отдельные аспекты мира частиц, но слияние квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остается основной из пока нерешенных задач, стоящих перед современной физикой.

Теория относительности оказала сильное воздействие на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией — с неким ʼʼматериаломʼʼ, из которого, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции. являясь одной из форм энергии. При этом энергия — это динамическая величина, связанная с деятельностью или процессами. Тот факт, что масса частицы должна быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы некой частицы.

Начало новому взгляду на частицы положил Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для описания поведения электронов. Теория Дирака не только очень успешно описывала сложные подробности строения атома, но также обнаружила фундаментальную симметричность материи и антиматерии, предсказав существование антиэлектрона, обладающего массой электрона, но с противоположным зарядом. И в самом деле, два года спустя была открыта такая положительно заряженная частица, получившая название позитрона. Из принципа симметричности материи и антиматерии следует, что для каждой частицы существует античастица с той же массой и зарядом противоположного знака. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции. Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз.

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии — воистину самое необыкновенное следствие из теории относительности, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ можно объяснить только при условии использования выше описанного подхода. До того, как физика стала рассматривать частицы с позиции теории относительности, считалось, что материя состоит либо из неразрешимых и неизменяемых элементарных частиц, либо из сложных объектов, которые можно разложить на более мелкие; и вопрос был только в том, возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или существуют мельчайшие неделимые частицы. Открытие Дирака осветило проблему делимости вещества новым светом. При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых, однако, не меньше размеров исходных частиц. Это частицы такого же типа, возникающие из энергии движения (кинетической энергии), задействованной в процессе столкновения. В результате проблема делимости материи решается совершенно непредвиденным образом. Единственный способ дальнейшего деления субатомных частиц — их столкновение с использованием высокой энергии. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, мы можем снова и снова делить материю, но не можем получить более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Итак, субатомные частицы одновременно делимы и неделимы.

Это положение дел будет казаться парадоксальным до тех пор, пока мы придерживаемся взглядов о сложных ʼʼпредметахʼʼ, состоящих из ʼʼстроительных кирпичиковʼʼ. Парадокс исчезает только при динамическом релятивистском подходе. Тогда частицы воспринимаются как динамические паттерны или как процессы, задействующие неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ количество энергии, заключенное в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, и, в случае если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.

Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц — основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия гарантируется в огромных, достигающих в окружности нескольких миль, ускорителях частиц, в которых протоны разгоняются до скорости, близкой к скорости света͵ а затем сталкиваются с другими протонами или нейтронами.

Большинство частиц, возникающих пои столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Несмотря на крайне непродолжительный срок существования, можно не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы. Для фиксации следов, или треков, частиц используются специальные так называемые ʼʼпузырьковые камерыʼʼ. Принцип их действия напоминает след реактивного самолета в небе. Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей. Столкновения частиц — основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики.

Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица должна быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как ʼʼэлементарная частицаʼʼ, ʼʼматериальная субстанцияʼʼ и ʼʼизолированный объектʼʼ. Вселенная предстапляет собой подвижную сеть неразделенно связанных энергетических процессов. Всеобъемлющая теория для описания субатомной действительности еще не найдена, но уже сейчас существует несколько моделей, вполне удовлетворительно описывающих ее определенные аспекты. Все они несвободны от математических трудностей и порою противоречат друг другу, все же отражая при этом глубинное единство и подвижность материи. Οʜᴎ показывают, что свойства частицы бывают поняты только в терминах ее активности, то есть ее взаимодействия с окружающей средой, и что частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого.

Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. При релятивистском подходе считается, что эти силы эквивалентны таким же частицам. Подобную картину сложно себе представить. Такое положение дел обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности, с которой сложно иметь дело и нашей интуиции, и вербальному мышлению. При этом осознать крайне важно , в случае если мы хотим постичь субатомные явления. Релятивистский подход соотносит силы, действующие между составными частями вещества, со свойствами этих составных частей и таким образом объединяет два понятия — понятия силы и вещества — которые со времени греческих атомистов казались абсолютно самостоятельными. Сейчас считается, что и сила, и материя берут свое начало в динамических системах, которые мы называем частицами.

Тот факт, что частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы, — еще одно свидетельство в пользу нашего утверждения о невозможности разделения субатомной действительности на составные части. Начиная от нашего макроскопического окружения и вплоть до уровня ядра силы притяжения относительно слабы, и можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекул

referatwork.ru

Проблемы современной физики

Реферат

по физике

на тему:

«Проблемы современной физики»

Удалось установить, что атомы тол состоят 113сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного некоторым числом электронов. Положительный заряд ядра и отрицательные заряды окружающих его электронов компенсируют друг друга. В целом атом кажется нейтральным.

С 1913 почти до 1930 г. физики изучали самым тщательным образом свойства и внешние проявления той атмосферы электронов, которые окружают атомное ядро. Эти исследования привели к единой цельной теории, обнаружившей новые законы движения электронов в атоме, ранее нам неизвестные. Эта теория получила название квантовой, или волновой, теории материи. К ней мы еще вернемся.

Примерно с 1930 г. основное внимание было направлено на атомное ядро. Ядро нас особенно интересует, потому что в нем сосредоточена почти вся масса атома. А масса есть мера того запаса энергии, которой обладает данная система.

Каждый грамм любого вещества заключает в себе точно известную энергию и притом весьма значительную. Так, например, в стакане чаю, который весит примерно 200 г., заключено количество энергии, для получения которой нужно было бы сжечь около миллиона тонн угля.

Эта энергия находится именно в атомном ядре, потому что 0.999 всей энергии, всей массы тела заключает в себе ядра и только меньше 0.001 всей массы может быть отнесено к энергии электронов. Колоссальные запасы энергии, находящиеся в ядрах, несравнимы ни с какойформой энергии, какую мы знали до сих пор.

Естественно, заманчива надежда обладать этой энергией. Но для этого сначала нужно изучить ее, а затем найти пути для ее использования.

Но, кроме того, ядро интересует нас и по другим причинам. Ядро атома целиком определяет всю природу его, определяет его химические свойства и его индивидуальность.

Если железо отличается от меди, от углерода, от свинца, то различие это лежит именно в атомных ядрах, а не в электронах. Электроны у всех тел одни и те же, и любой атом может потерять часть своих электронов вплоть до того, что могут быть сорваны все электроны с атома. Пока цело и неизменно атомное ядро со своим положительным зарядом, оно всегда притянет к себе столько электронов, сколько необходимо для компенсации его заряда. Если в ядре серебра 47 зарядов, то оно всегда присоединит к себе 47 электронов. Поэтому, пока целю ядро, мы имеем дело с тем же самым элементом, с тем же самым веществом. Стоит изменить ядро, как из одного химического элемента получается другой. Только тогда осуществилась бы давняя и давно уже за безнадежностью оставленная мечта алхимии – превращения одних элементов в другие. На современном этапе истории эта мечта осуществилась, не совсем в тех формах и не теми результатами, которые ожидались алхимиками.

Что мы знаем об атомном ядре? Ядро в свою очередь состоит из еще более мелких составных частей. Эти составные части представляют собой простейшие известные нам в природе ядра.

Самое легкое и потому самое простое ядро – это ядро атома водорода. Водород – первый элемент периодической системы с атомным весом около 1. Ядро водорода входит в состав всех других ядер. Но, с другой стороны, легко видеть, что все ядра не могут состоять только из водородных ядер, как давно, уже более 100 лет назад, предполагал Проут.

Ядра атомов обладают определенной массой, которая дается атомным весом, и определенным зарядом. Заряд ядра задает тот номер, который данный элемент занимает в периодической системе Менделеева.

Водород в этой системе – первый элемент: у пего один положительный заряд и один электрон. Второй по порядку элемент имеет ядро с двойным зарядом, третий – с тройным и т.д. вплоть до самого последнего и самого тяжелого из всех элементов – урана, ядро которого имеет 92 положительных заряда.

Менделеев, систематизируя громадный опытный материал в области химии, создал периодическую систему. Он, конечно, не подозревал в то время о существовании ядер, но не думал, что порядок элементов в созданной им системе определяется просто зарядом ядра и ничем больше. Оказывается, что эти две характеристики атомных ядер – атомный вес и заряд – не соответствуют тому, что мы могли бы ожидать, исходя из гипотезы Проута.

Так, второй элемент – гелий имеет атомный вес 4. Если он состоит из 4 ядер водорода, то и заряд его должен был бы быть 4, а между тем заряд его 2, потому что это второй элемент. Таким образом, нужно думать, что в гелии всего 2 ядра водорода. Ядра водорода мы называем протонами. Но_у кроме того, в ядре гелия есть еще 2 единицы массы, которые заряда не имеют. Вторую составную часть ядра приходится считать незаряженным ядром водорода. Приходится различать ядра водорода, обладающие зарядом, или протоны, и ядра, не обладающие совсем электрическим зарядом, нейтральные, их мы называем нейтронами.

Все ядра состоят из протонов и нейтронов. В гелии 2 протона и 2 нейтрона. В азоте 7 протонов и 7 нейтронов. В кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, в углероде С протонов и 6 нейтронов.

Но дальше эта простота несколько нарушается, число нейтронов становится все больше и больше но сравнению с числом протонов, и в самом последнем элементе – уране имеется 92 заряда, 92 протона, а атомный вес его 238. Следовательно, к 92 протонам прибавлено еще 146 нейтронов.

Конечно, нельзя думать, что то, что мы знаем в 1940 г., есть уже исчерпывающее отображение реального мира и многообразие заканчивается на этих частицах, которые являются элементарными в буквальном смысле слова. Понятие элементарности означает только определенный этап в нашем проникновении в глубь природы. На данном этапе мы знаем, однако, состав атома лишь вплоть до этих элементов.

Эта простая картина па самом деле была выяснена не так легко. Пришлось преодолеть целый ряд затруднений, целый ряд противоречий, которые и момент своего выявления казались безвыходными, но которые, как всегда в истории науки, оказались только различными сторонами более общей картины, представлявшей собою синтез того, что казалось противоречием, и мы переходили к следующему, более глубокому пониманию проблемы.

Важнейшим из этих затруднений оказалось следующее: в самом начале нашего столетия было уже известно, что из недр радиоактивных атомов (о ядре тогда еще не подозревали) вылетают б-частицы (они оказались ядрами гелия) и в-частицы (электроны). Казалось, то, что вылетает из атома, это и есть то, из чего он состоит. Следовательно, казалось, ядра атомов состоят из ядер гелия и электронов.

Ошибочность первой части этого утверждения ясна: очевидно, что невозможно составить ядро водорода из вчетверо более тяжелых ядер гелия: часть не может быть больше целого.

Оказалась неверной и вторая часть этого утверждения. Электроны действительно вылетают при ядерных процессах, и тем не менее электронов в ядрах нет. Казалось бы, здесь – логическое противоречие. Так ли это?

Мы знаем, что атомы испускают свет, световые кванты (фотоны).

Что же эти фотоны запасены в атоме в виде света и ждут момента для вылета? Очевидно, нет. Мы понимаем испускание света таким образом, что электрические заряды в атоме, переходя из одного состояния в другое, освобождают некоторое количество энергии, которая переходит в форму лучистой энергии, распространяющейся в пространстве.

Аналогичные соображения можно высказать и относительно электрона. Электрон по целому ряду соображений не может находиться в атомном ядре. Но он не может и создаваться в ядре, как фотон, потому что обладает отрицательным электрическим зарядом. Твердо установлено, что электрический заряд так же, как и энергия и материя в целом, остается неизменным; общее количество электричества нигде не создается и нигде не исчезает. Следовательно, если уносится отрицательный заряд, то ядро получает равный ему положительный заряд. Процесс испускания электронов сопровождается изменением заряда ядра. Но ядро состоитиз протопоп и нейтронов, значит, один из незаряженные нейтронов превратился в положительно заряженный протон.

Отдельный отрицательный электрон не может ни возникнуть, ни исчезнуть. Но два противоположных заряда могут при достаточном сближении взаимно скомпенсировать друг друга или даже совсем исчезнуть, выделив свой запас энергии в виде лучистой энергии (фотонов).

Какие же это положительные заряды? Удалось установить, что, кроме отрицательных электронов, в природе наблюдаются и могут быть созданы средствами лабораторий и техники положительные заряды, которые по всем своим свойствам: по массе, по величине заряда вполне соответствуют электронам, но только имеют положительный заряд. Такой заряд мы называем позитроном.

Таким образом, мы различаем электроны (отрицательные) и позитроны (положительные), отличающиеся только противоположным знаком заряда. Вблизи ядер могут происходить как процессы соединения позитронов с электронами, так и расщепления на электрон и позитрон, причем электрон уходит из атома, а позитрон входит в ядро, превращая нейтрон в протон. Одновременно с электроном уходит и незаряженная частица – нейтрино.

Наблюдаются и такие процессы в ядре, при которых электрон передает свой заряд ядру, превращая протон в нейтрон, а позитрон вылетает из атома. Когда из атома вылетает электрон, заряд ядра увеличивается на единицу; когда вылетает позитрон или протон, заряд и номер в периодической системе уменьшается на одну единицу.

Все ядра построены из заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Спрашивается, какими силами они сдерживаются в атомном ядре, что их связывает между собой, что определяет построение различных атомных ядер из этих элементов?

mirznanii.com

Нерешённые проблемы современной физики – это… Что такое Нерешённые проблемы современной физики?

Приведён список нерешённых пробле́м совреме́нной фи́зики^[1]. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Теоретические проблемы

Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности

Распад метастабильного вакуума: Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?
Квантовая гравитация: Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?^[2] Является ли пространство-время принципиально непрерывным или дискретным? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга: Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется? Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует?

Размерность пространства-времени: Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество? Является ли размерность 3+1 (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего 3+1-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью 2+1?
Инфляционная модель Вселенной: Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
Мультивселенная: Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантовомеханические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения^[3]? Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических дилемм?
Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии: Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно?^[4] Аналогично, будут ли замкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении) исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
Ось времени: Что могут сказать нам о природе времени явления, которые отличаются друг от друга хождением по времени вперёд и назад? Чем время отличается от пространства? Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются только в некоторых слабых взаимодействиях и более нигде? Являются ли нарушения CP-инвариантности следствием второго закона термодинамики или же они являются отдельной осью времени? Есть ли исключения из принципа причинности? Является ли прошлое единственно возможным? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или это просто результат особенностей сознания? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом? (См. также ниже Энтропия (ось времени)).
Локальность: Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
Будущее Вселенной: Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?
Прошлое Вселенной: Если инфляционная теория развития Вселенной верна, то можно ли определить местоположение (точку) начала инфляционного процесса относительно настоящего положения солнечной системы?

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Моделирование процесса обнаружения бозонов Хиггса на детекторе КМС в CERN

Механизм Хиггса: Существует ли частица Хиггса? Каковы последствия, если она не существует? Является ли она одной из многих?
Проблема иерархии: Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10¹⁹ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
Магнитный монополь: Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.^[5])
Распад протона и Великое объединение: Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
Суперсимметрия: Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
Поколения материи: Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
Фундаментальная симметрия и нейтрино: Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества? Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?

Ядерная физика

Квантовая хромодинамика: Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
Атомное ядро и ядерная астрофизика: Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
Остров стабильности: Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?

Другие проблемы

Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом): Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
Физическая информация: Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
Теория всего («Теории Великого объединения»): Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант?^[6] Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
Калибровочная инвариантность: Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?

Эмпирические явления без чёткого научного объяснения

Космология и астрономия

Существование Вселенной: Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную/Мультивселенную?
Барионная асимметрия Вселенной: Почему в наблюдаемой Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии?
Проблема космологической постоянной: Почему нулевая энергия вакуума не приводит к большому значению космологической постоянной? Что отменяет эту зависимость?

Оценочное распределение темной материи и темной энергии во вселенной. 74% – темная энергия, 22% темная материя, 3,6 % межгалактический газ, 0,4% – наблюдаемые звезды.

Тёмная энергия: Что является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной (фаза де Ситтера)? Почему плотность энергии тёмной компоненты энергии — величина того же порядка, что и плотность вещества в настоящее время, тогда как эти два феномена с течением времени развивались совершенно по-разному? Может быть, это потому, что мы ведём наблюдения в нужное время? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем — некой квинтэссенцией, такой как фантомная энергия?
Тёмная материя: Что такое тёмная материя?^[7] Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?

Тёмный поток: Что является причиной согласованного движения большой группы скоплений галактик к одной точке Вселенной?^[9]
Энтропия (направление времени): Почему Вселенная имела такую низкую энтропию в прошлом, приведшую в результате к различию между прошлым и будущим и вторым законом термодинамики?
Проблема горизонта: Почему удалённая от нас часть Вселенной так однородна, тогда как теория Большого взрыва предсказывает измеримую анизотропию небесной сферы больше, чем она наблюдается? Возможным подходом к решению являются гипотезы инфляции и переменной скорости света.
Изотропия реликтового излучения: Некоторые общие особенности микроволнового излучения неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет, по всей видимости, говорят о наличии как движения, так и ориентации Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок обработки, загрязнением результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением принципа Коперника?
Форма Вселенной: Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, то есть сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенная может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?
Гравитационные волны: Можно ли гравитационные волны обнаружить экспериментально?^[10]^[11]

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия: Каков механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, дающий массу W и Z бозонам? Является ли он простым механизмом Хиггса Стандартной модели^[12] или же природа использует сильную динамику при нарушении электрослабой симметрии, как это предлагается в теории техниколор?
Масса нейтрино: Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Является ли нейтрино античастицей самой себе? Или это и есть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей из-за её нестабильного состояния?
Отношение инерциальная масса/гравитационная масса для элементарных частиц: В соответствии с принципом эквивалентности общей теории относительности, отношение инертной массы к гравитационной для всех элементарных частиц равно единице. Однако, экспериментального подтверждения этого закона для многих частиц не существует. В частности, мы не знаем, каков будет вес макроскопического куска антивещества известной массы.
Кризис спина протона: По первоначальной оценке Европейской группы по мюонному сотрудничеству, на три основных («валентных») кварка протона приходится около 12 % от общего объёма спина. Можно ли пересчитать остаток глюонов, которые связывают кварки, а также образуют «море» пар кварков, которые постоянно создаются и аннигилируют?
Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбативном режиме: Уравнения КХД остаются нерешёнными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер, и, среди прочего, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Подходит ли КХД для описания физики ядра и его компонентов?
Удержание цвета: Почему никогда не были зафиксированы свободный кварк или глюон, а только объекты, построенные из них, например, мезоны и барионы? Каким образом эти явления вытекают из КХД?
Сильная CP-проблема и аксионы: Почему сильное ядерное взаимодействие инвариантно к чётности и зарядовому сопряжению? Является ли теория Печчеи — Квинн решением этой проблемы?
Гипотетические частицы: Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?

Астрономия и астрофизика

Струи аккреционных дисков: Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси? Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?
Проблема нагрева короны: Почему солнечная корона (атмосферный слой Солнца) намного горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение совершается на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?
Гамма-всплески: Каково происхождение этих краткосрочных всплесков высокой интенсивности?^[13]
Сверхмассивные чёрные дыры: Какова причина отношения М-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скорости галактики?^[14]
Наблюдаемые аномалии: Аномалия «Гиппарха»: Каково фактическое расстояние до Плеяд?; Аномалия «Пионеров»^[7]: Что вызывает небольшое дополнительное ускорение в направлении Солнца космических аппаратов «Пионер»?^[15]^[16] (Проблема решена в 2012 году); Аномалия сближения: Почему наблюдаемая энергия спутников, совершающих гравитационный манёвр, отличается от предсказываемых теорией значений?; Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?
Сверхновые: Каков точный механизм, посредством которого имплозии умирающих звёзд становятся взрывом?
Космические лучи сверхвысоких энергий^[7]: Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?^[17]^[18]
Замедление времени пульсара: Почему выбросы пульсаров на больших космологических расстояниях не проявляют предсказанное свойство замедления времени?
Скорость вращения Сатурна: Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?^[19]

Физика конденсированного состояния

Аморфные тела: Какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами? Какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла?^[20]^[21]
Холодный ядерный синтез: Каково объяснение спорных докладов об избыточном тепле, излучении и трансмутациях?^[7]^[22]^[23]
Криогенная электронная эмиссия: Почему в отсутствие света увеличивается эмиссия электронов фотоэлектронного умножителя при уменьшении его температуры?^[24]^[25]
Высокотемпературная сверхпроводимость: Каков механизм, вызывающий у некоторых материалов проявление сверхпроводимости при температурах намного выше 50 градусов Кельвина?^[26]
Сонолюминесценция: Что является причиной выброса коротких вспышек света при схлопывании пузырьков жидкости, возбуждённых звуком?^[27]
Турбулентность: Можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, для его внутренней структуры)?^[28] При каких условиях существует гладкое решение уравнений Навье-Стокса? Это, вероятно, последняя нерешённая проблема классической или ньютоновской физики.
Шаровая молния: Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Биофизика

Синаптическая пластичность: Она необходима для вычислительной и физической моделей мозга, но чем это обусловлено и какую роль она играет в процессах более высокого порядка вне гиппокампа и зрительной коры?
Аксональное наведение: Как аксоны, исходящие из нейронов, находят свои цели? Этот процесс имеет решающее значение для развития нервной системы, в частности, в вопросе формирования структуры соединений в мозге.
Случайность и устойчивость к шуму при экспрессии генов: Как гены управляют нашим телом, выдерживая различные внешние воздействия и внутреннюю стохастичность? Существуют различные модели генетических процессов, но мы далеки от понимания всей картины, в частности, в морфогенезе, в котором экспрессия генов должна жёстко регулироваться.
Количественное исследование иммунной системы: Каковы количественные свойства иммунных реакций? Каковы основные строительные блоки иммунной системы? Какую роль играет стохастичность?

Проблемы, решённые за последние десятилетия

Аномалия «Пионеров» (2012)^[7]: Что вызывает небольшое дополнительное ускорение в направлении Солнца космических аппаратов «Пионер»?^[15]^[16] Считается, что это является следствием ранее не учитываемой отдачи тепловых сил.^[29]^[30]
Продолжительные гамма-всплески (2003): Продолжительные гамма-всплески связаны со смертью массивных звёзд в некоторых специфических случаях вспышек типа сверхновой, известных как гиперновые звезды.
Проблема солнечных нейтрино (2002): Новое понимание физики нейтрино, требующее модификации стандартной модели физики элементарных частиц, в частности, нейтринных осцилляций.
Возрастной кризис (1990-е): Оценка возраста Вселенной от 3 до 8 миллиардов лет была меньше, чем оценка возраста самых старых звёзд в нашей галактике. Уточнение оценок расстояния до звёзд и введение тёмной энергии в космологическую модель позволили повысить оценку возраста Вселенной.
Квазары (1980-е): На протяжении десятилетий природа квазаров была непонятна^[31]. Сейчас они рассматриваются как разновидность активных ядер галактик, которые излучают огромную энергию за счёт материи, падающей в массивную чёрную дыру в центре галактики^[32].

Примечания

↑ Гинзбург И. Ф. «Нерешённые проблемы фундаментальной физики» УФН 179 525—529 (2009)
↑ Alan Sokal (July 22, 1996), “«Don’t Pull the String Yet on Superstring Theory»”, New York Times, <http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9D0DE7DB1639F931A15754C0A960958260>
↑ First observational test of the ‘multiverse’ (англ.). University College London (8 March 2011). Архивировано из первоисточника 10 декабря 2012. Проверено 27 ноября 2012.
↑ Joshi, Pankaj S. (January 2009), “«Do Naked Singularities Break the Rules of Physics?»”, Scientific American, <http://www.sciam.com/article.cfm?id=naked-singularities>
↑ Paul Dirac, «Quantised Singularities in the Electromagnetic Field». Proc. Roy. Soc. (London) A 133, 60 (1931). Free web link
↑ Open Questions, Particle Physics, item 12
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ 13 things that do not make sense newscientistspace, 19 March 2005, Michael Brooks
↑ Steinardt, Paul (1997), “Cosmological Challenges For the 21st Century”, in Val Fitch et. al., «», Critical problems in physics: proceedings of a conference celebrating the 250th anniversary of Princeton University, Princeton, New Jersey: Princeton University Press, сс. 138–140, ISBN 978-0-691-05784-2
↑ “Dark Flow” Discovered at Edge of the Universe: Hundreds of Millions of Stars Racing Towards a Cosmic Hotspot. Dailygalaxy.com (2009-08-26).
↑ National Research Council Gravitation, Cosmology, and Cosmic-Ray Physics. — Washington, D. C.: National Academies Press, 1986. — ISBN 0-309-03579-1
↑ Paulson, Tom. Catching a cosmic wave of gravity (May 27, 2002). Проверено 10 апреля 2012.
↑ Open Questions, Particle Physics, item 6
↑ Open Questions, Cosmology and Astrophysics, item 11
↑ Ferrarese, Laura & Merritt, David, “«A Fundamental Relation between Supermassive Black Holes and their Host Galaxies»”, The Astrophysical Journal Т. 539: L9-L12, <http://adsabs.harvard.edu/abs/2000ApJ…539L…9F>
↑ ¹ ² Open Questions, Particle Physics, item 13
↑ ¹ ² newscientistspace item 8
↑ Open Questions, Cosmology and Astrophysics, item 12
↑ newscientistspace item 3
↑ Scientists Find That Saturn’s Rotation Period is a Puzzle. NASA (June 28, 2004). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. Проверено 22 марта 2007.
↑ Kenneth Chang (July 29, 2008), “«The Nature of Glass Remains Anything but Clear»”, The New York Times, <http://www.nytimes.com/2008/07/29/science/29glass.html>
↑ «The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the theory of the nature of glass and the glass transition.» P.W. Anderson (1995), “«Through the Glass Lightly»”, Science Т. 267: 1615
↑ John R. Vacca (2004), «The World’s 20 Greatest Unsolved Problems», Prentice Hall, ISBN 9780131426436, <http://books.google.com/books?id=ouMmAAAACAAJ>
↑ Feder, T. & John, O. (2004), “«»”, Physics Today: 27, doi:10.1063/1.1881896, <http://www.physicstoday.com/pt/vol-58/iss-1/PDF/vol58no1p31a.pdf>
↑ Cryogenic electron emission phenomenon has no known physics explanation
↑ DOI:10.1209/0295-5075/89/58001
↑ Open Questions, Condensed Matter and Nonlinear Dynamics, item 2
↑ “«»”, Proceedings: Mathematical, physical, and engineering sciences (Royal Society) . — Т. 453, 1997
↑ Open Questions, Condensed Matter and Nonlinear Dynamics
↑ Turyshev, S.; Toth, V.; Kinsella, G.; Lee, S. C.; Lok, S.; Ellis, J. (2012). “Support for the Thermal Origin of the Pioneer Anomaly”. Physical Review Letters 108 (24).
↑ http://www.nytimes.com/2012/07/24/science/mystery-tug-on-pioneer-10-and-11-probes-is-einsteins-i-told-you-so.html?
↑ MKI и открытие квазаров. Обсерватория Jodrell Bank (англ.)
↑ Съёмки квазаров телескопом Хаббла. (англ.)

Ссылки

dic.academic.ru

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ

Анонс.Научная общественность имеет право знать катастрофическое положение современной теоретической физики и причины, которые привели её к такому состоянию.

Актуальные – значит очень важные для данного времени. Они должны быть сформулированы, опубликованы и должны обсуждаться научной общественностью. Вполне естественно, что сделать это – обязанность академической элиты. Однако, научная общественность не только России, но и всего мира не владеет такой информацией. Поэтому есть основания для того, чтобы обозначить эти проблемы и опубликовать их.

Наиболее обширная международная дискуссия ведётся сейчас по достоверности физических теорий ХХ века. И это естественно, так как теория – основной инструмент интерпретации экспериментов. Ошибочная теория приводит к ошибочной интерпретации экспериментов и формирует ошибочные представления о физических явлениях и процессах, управляющих формированием их результатов.

Считается, что научные проблемы формирования материального мира решает теория «Большого взрыва», следующая из теорий относительности А. Эйнштейна. Экспериментальной основой этой теории является спектр реликтового излучения.

Однако, новый анализ структуры этого излучения убедительно и однозначно доказывает полную ошибочность его интерпретации. Спектр реликтового излучения формируют фотоны, излучаемые электронами при синтезе атомов водорода и гелия в недрах звёзд Вселенной.

Эти процессы идут при температуре от 2500 до 5000 градусов и образуют главный максимум реликтового излучения. Далее, по мере удаления от звезды и уменьшения температуры среды, идёт процесс синтеза молекул водорода, который рождает второй максимум плотности этого излучения. Удаляясь от звезды и охлаждаясь, молекулы водорода проходят фазу сжижения, которая также сопровождается излучением фотонов и формированием третьего максимума плотности этого излучения. В результате 73% процента материи Вселенной – водород. Одновременно идут аналогичные процессы синтеза атомов гелия, которого 23% во Вселенной. Из этого следует, что спектр реликтового излучения не имеет никакого отношения к вымышленному «Большому взрыву» и его можно назвать спектром излучения Вселенной. Однозначность интерпретации этого спектра даёт новую информацию о поведении главных носителей электричества – отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного протона.

Из анализа процесса формирования спектра Вселенной следует, что при синтезе атомов водорода электроны вступают в связь с протонами со 108 энергетического уровня. В соответствии с законом Кулона расстояние между протоном и электроном в этот момент равно . Это расстояние на 9 порядков больше размера протона, на 6 порядков больше размера электрона и на 4 порядка больше размера атома водорода в невозбуждённом состоянии. При этом, если протон представить размером 1мм, то размер электрона будет равен 1 метру, а расстояние между протоном и электроном в атоме водорода при его невозбуждённом состоянии – 100 метрам. Мы не можем ставить под сомнение достоверность этой информации, так как она следует из экспериментальной информации и закона Кулона, поэтому у нас есть все основания использовать её для анализа других явлений и процессов, в которых электроны и протоны являются главными участниками.

Начнём с древнего раздела физики – электростатики. Результаты интерпретации многочисленных экспериментов по электростатике базируются на анализе процессов взаимодействия положительных и отрицательных зарядов электричества. Давно условились считать, что носителями отрицательных зарядов электричества являются электроны, а положительных – протоны. Эта условность великолепно работает в процессах формирования ядер атомов, самих атомов и молекул.

Отметим тот факт, что в электролитических растворах протоны атомов водорода находятся не в свободном, а в связанном состоянии. Они могут быть на поверхности ионов и формировать положительные потенциалы. Здесь положительный заряд, формируемый протоном атома водорода, – законный хозяин электролитических процессов. Его работа – результат ежегодного выделения миллиардов кубометров молекулярного водорода при фотосинтезе. Сразу возникает вопрос: как формируются молекулы водорода при фотосинтезе, минуя стадию атомарного состояния, которая сопровождается рождением плазмы?

Новая теория микромира позволила получить ответ на этот непростой вопрос. Молекулы водорода выделяются из кластеров органических молекул в синтезированном состоянии. Процессы синтеза атомов водорода подобные тем, что непрерывно идут на звездах, отсутствуют в процессах формирования органических структур.

Таким образом, появляются серьёзные основания сомневаться в присутствии положительного заряда (протона) во многих электростатических явлениях, зафиксированных в разнообразных экспериментах. Это сомнение обусловлено тем, что соседство протонов со свободными электронами автоматически ведёт к образованию атомов водорода и формированию плазмы с температурой плавящей вольфрам – самый тугоплавкий металл. Поэтому причина появления положительного заряда в экспериментах по электростатике – актуальная научная проблема современной физики.

Известно, что если потереть эбонитовую палочку о мех или шелк, то она зарядится отрицательно, а если о бумагу или резину, то – положительно. Почему? Присутствие избытка протонов на эбонитовой палочке при трении её о бумагу или резину полностью исключается, так как протоны находятся в ядрах и связаны с нейтронами огромными, так называемыми ядерными силами. Присутствие их в свободном состоянии в бумаге, резине или эбонитовой палочке совместно со свободными электронами также исключается, так как такое их соседство немедленно ведёт к формированию атомов водорода и его плазмы с температурой до 5000 градусов.

Почему ученые не обратили внимание на эти фундаментальные противоречия? Это вопрос историкам науки, а мы поясним, как устраняются эти противоречия. Магнитное поле электрона подобно магнитному полю стержневого магнита с южным и северным магнитными полюсами. Из этого следует, что свободные электроны могут принимать ориентированное положение и даже формировать кластеры, на одном конце которых южный магнитный полюс, а на другом – северный.

Таким образом, если тело зарядить кластерами электронов, то, ориентируясь, они могут сформировать на его поверхности магнитный потенциал одной полярности, например, южной. Из этого следует, что на смежных поверхностях пластин конденсаторов формируются не положительные и отрицательные потенциалы, а южные и северные магнитные полюса электронов. Приписывать противоположным магнитным полюсам знаки плюс и минус – одна из древних фундаментальных ошибок физиков.

Из изложенного следует, что электростатические процессы отталкивания заряженных тел – следствие действий одноимённых зарядов, скопившегося на этих телах, или – одноимённых магнитных полюсов на их поверхностях. Электростатические процессы сближения заряженных тел – следствие действия только разноимённых магнитных полюсов на их поверхностях, сформированных кластерами электронов.

Вполне естественно, что ошибочная интерпретация электростатических экспериментов повлекла за собой ошибочность интерпретации электродинамических процессов и явлений. Нам трудно поверить, но первым эти ошибки допустил Фарадей. Он ввел представление о том, что проводник с током движется в магнитном поле в результате взаимодействия электрического и магнитного полей. Лишь недавно установлено, что взаимодействие магнитных полюсов постоянных магнитов, магнитных полей вокруг проводников с током и проводников с током, взаимодействующих с внешними магнитными полями, – одно и тоже явление, управляемое взаимодействием только магнитных полей. Нет в этих процессах взаимодействий магнитных и электрических полей.

Максвелл пошёл дальше Фарадея. Он написал уравнения, из которых следовало, что меняющиеся электрические и магнитные поля вокруг проводника с током излучаются в пространство. Долго физиков смущал загадочный физический смысл тока смещения, входящего в уравнения Максвелла.

Ток проводимости – известная величина, надёжно определяемая экспериментально. А что такое ток смещения, входящий в уравнения Максвелла, до сих пор неизвестно. Считается, что его невозможно зарегистрировать отдельно, он регистрируется вместе с током проводимости. Да, сдвиг амплитуды тока проводимости по отношению к амплитуде напряжения при разрядке конденсатора – экспериментальный факт и для его описания не требуются уравнения Максвелла, так как изменение напряжения и тока легко описывается в этом случае с помощью уравнений синусоиды и косинусоиды.

Незаслуженный научный авторитет уравнений Максвелла был укреплён экспериментами Герца. Конечно, надо было тщательно проанализировать противоречия в интерпретации этих экспериментов, но этого не случилось. Появление тока смещения при облучении не только проводящих тел, но и диэлектриков было признано доказанным фактом. Удивительно, но последователи Максвелла и Герца проигнорировали невозможность формирования тока в диэлектриках, и смело приняли на вооружение ошибочную теорию Максвелла, которая в ряде случаев давала результаты, совпадающие с экспериментами. Причина этих совпадений обусловлена тем, что фотонные волны тоже имеют синусоидальный характер.

Итак, устранение противоречий в электростатике и электродинамике отправляет в раздел истории науки значительную часть современной ортодоксальной физики. Но это не все. Дальше мы увидим такое обилие ошибок в современной теоретической физике, что разум наш теряется в оценке её катастрофического состояния в век невероятного расцвета достижений экспериментаторов.

Выявленные модели фотонов, электронов, протонов и нейтронов позволяют точнее интерпретировать результаты многих давно проведённых экспериментов с их участием. Например, ещё Френель установил экспериментально, что световые лучи с одинаковой циркулярной поляризацией сближаются, а с противоположной – отталкиваются. Модель фотона (рис. 2) и его теория не только объясняют это явление, но позволяют рассчитывать его параметры. Расчёты показывают, а эксперимент подтверждает, что поляризованные фотоны с одинаковой циркулярной поляризацией начинают взаимодействовать друг с другом на расстоянии в 500 раз большем их размеров, что и приводит к формированию дифракционных картин.

Современные учебники по физике утверждают, что фотон – это волна и частица одновременно. Однако, структура этой частицы оставалась неизвестной, поэтому исследователи шли по более легкому пути. Они строили свои теории не на корпускулярных, а на волновых свойствах излучений. Анализ такой информации показывает, что она далека от реальности и уже давно назрела необходимость иметь хотя бы первые представления о структуре фотонов, чтобы можно было понимать, как они формируют и переносят в пространстве зрительную и электронную информацию, каким образом фотоны формируют температуру окружающей среды, почему существует предельно низкая температура, почему длины волн и другие параметры фотонов изменяются в интервале 15 порядков, почему длины волн фотонов светового диапазона изменяется в интервале менее одного порядка?

Уже сформулировано более 150 подобных вопросов о фотоне и получены ответы на них, которые базируются на новых теоретических представлениях о всём диапазоне электромагнитных излучений, которые теперь называются фотонными излучениями.

Изложенное показывает, что авторитеты учёных не могут быть надёжными критериями при оценке достоверности любой теории, и далеко не каждый эксперимент может выполнить такую же функцию, так как его результат интерпретируется с помощью теории, которая может быть ошибочной, поэтому нужны судьи с непререкаемым научным авторитетом. Роль таких судей давно выполняют аксиомы – очевидные утверждения, не требующие экспериментальной проверки и не имеющие исключений.

Оказалось, что теоретики не смогли заметить и понять судейские функции вечно существующей аксиомы единства пространства, материи и времени или кратко аксиомы Единства.

Пространство, материя и время – первичные, независимые и неразделимые элементы мироздания. В Природе нет такого уголка, где существовала бы материя, а пространство отсутствовало бы. Нет такого состояния, когда пространственный интервал изменялся бы независимо от темпа течения времени, нет такого состояния, когда пространственный интервал изменялся, а время в этот момент останавливалось бы, как в частных производных. Из этого следуют требования к математическим моделям, описывающим движение любых объектов в пространстве. Они всегда должны быть функциями времени. С виду, это простое и неопровержимое требование, но оно игнорировалось в большинстве физических теорий ХХ века. Результат – все они оказались ошибочными, так как противоречат реальности, в которой перемещение любого объекта в пространстве или изменение пространственного интервала – всегда функции времени.

Итак, независимый и непререкаемый научный авторитет для оценки связи любых теорий с реальностью найден. Приведём примеры работы этого авторитета. Каждый физик знает (рис. 1), что преобразования Лоренца представлены двумя уравнениями: (1) и (2) .

Из уравнения (1) неявно следует, что когда скорость V стремится к С величина пространственного интервала x’ уменьшается, что соответствует относительности пространства. Время t’ (2) при V, стремящемся к С, также уменьшается, что соответствует уменьшению темпа течения времени или – относительности времени.

Поскольку пространственный интервал x’ (1), расположенный в подвижной системе отсчёта, отделён от времени t’ (2), текущем в этой системе отсчёта, то аксиома Единства запрещает извлекать какую-либо информацию из раздельного анализа уравнений (1) и (2), так как их разделённое состояние противоречит этой аксиоме. Чтобы привести преобразования Лоренца к состоянию, не противоречащему аксиоме Единства, разделим первое уравнение на второе, в результате будем иметь уравнение (3).

Математическая формула (3) отражает зависимость координаты x’ от времени t’. Из этого следует, что формула (3) работает в рамках Аксиомы Единства пространства – материи – времени, то есть в рамках реальной действительности. Обратим внимание на то, что материя в уравнении (3) присутствует косвенно. Её роль выполняют скорости V и C. Обусловлено это тем, что скорость могут иметь только материальные объекты.

На рис. 1 видно, что x – это координата положения светового сигнала в неподвижной системе отсчета. Она равна произведению скорости движения света C на время t. Если мы подставим x=Ct в формулу (3), то получим координату x’=Ct’, которая фиксирует положение светового сигнала в подвижной системе отсчета. Где же расположен этот сигнал? Поскольку мы изменяем координаты x и x’, то в моменты времени t и t’ он расположен на совпадающих осях OX и OX’, точнее – в точке K – точке пересечения световой сферы с двумя осями OX и OX’ (рис. 1).

Геометрический смысл преобразований Лоренца очень прост. В них зафиксированы: координата x’ точки K в подвижной системе отсчета и её координата x в неподвижной системе отсчета (рис. 1). К – точка пересечения световой сферы с осями OX и OX’. Это и есть истинный физический смысл преобразований Лоренца. Другой информации в этих преобразованиях нет и они не отражают никакие физические эффекты.

Важно и то, что приведённый анализ преобразований Лоренца придаёт всем математическим символам: x, x’, t, t’, V, C, входящим в эти преобразования, четкий геометрический и физический смысл. Посмотрите внимательнее на рис. 1. При стремлении V к C величина x’ действительно уменьшается. Вполне естественно, что уменьшается и время t’, необходимое световому сигналу для того, чтобы пройти расстояние x’. Вот Вам и причина сокращения пространственного интервала x’, темпа течения времени t’ и появления парадокса близнецов. Приведите преобразования Лоренца к виду, соответствующему Аксиоме Единства пространства – материи – времени, и все парадоксы исчезают.

Описанная простая научная информация однозначно обнаруживает вирусные свойства преобразований Лоренца, разрушивших логику классического мышления и парализовавших интеллектуальный научный потенциал нескольких поколений учёных.

Преобразования Лоренца – продукт геометрии Минковского и фундамент теорий относительности А. Эйнштейна Они уже давно отправили эти теории в раздел истории науки, как творения не нужные человечеству.

Поклонники ортодоксальной физики прилагают титанические усилия, чтобы удержать теории относительности А. Эйнштейна в сфере научных интересов. Этому способствует математическая инвариантность уравнений Максвелла преобразованиям Лоренца. Этому факту придано решающее значение в оценке замкнутости ортодоксальной физической теории. Академическая элита до сих пор кичится этой замкнутостью и тешит себя надеждой на спасение от навалившихся на неё противоречий. При этом она полностью игнорирует отсутствие физической инвариантности уравнений Максвелла преобразованиям Лоренца.

Аксиома Единства успешно справилась не только с лоренцевским вирусом и с ошибочностью уравнений Максвелла но и многими творениями математиков, нанёсшими колоссальный ущерб теоретической и экспериментальной физике. Они окутали её туманом математических крючков с вымышленными физическими смыслами. Нет никакого сомнения в том, что будущие поколения ученых закроют дорогу в физику лицам с чистым математическим образованием. Физики будут приветствовать в своих рядах специалистов с физико-математическим образованием, но не наоборот.

Аксиома Единства – абсолютный критерий для оценки достоверности теоретической и экспериментальной информации. Она позволила установить ошибочность многих современных физических теорий и привела нас к новым неизмеримо более простым теориям, которые позволили выявить модели фотонов, электрона, протона, нейтрона и принципы формирования ядер атомов, самих атомов, молекул и кластеров.

Фотон (рис. 2) – локализованное образование, состоящее из шести замкнутых по круговому контуру магнитных полей. Все параметры такой модели изменяются в интервале 15-ти порядков и из анализа её движения выводятся аналитически все давно постулированные математические модели, описывающие поведение фотонов в различных экспериментах. Дифракционные картины фотонов, электронов и других частиц – следствие взаимодействия их спинов при пересечении траекторий их движения.

Электрон (рис. 3) имеет тороидальную структуру, субстанция которой вращается относительно центральной оси, генерируя кинетическую энергию и момент импульса, и относительно кольцевой оси тора, генерируя магнитный момент и потенциальную энергию. Радиус кольцевой оси тора равен комптоновской длине волны электрона. Формированием и поведением электрона управляют более 20 констант.

Протон – сплошной тор, плотность материальной субстанции которого близка к плотности ядер атомов. Напряжённость магнитного поля протона вблизи его геометрического центра имеет колоссальную величину Тесла, которая генерирует магнитные силы, соединяющие протоны с нейтронами при формировании ядер атомов.

Нейтрон – сферическое образование, имеющее шесть магнитных полюсов, которые обеспечивают такое формирование ядер атомов, при котором, протоны оказываются на их поверхности, соединяясь с электронами, они формируют атомы химических элементов.

Новая теория убрала вероятностный туман с орбитального движения электронов и показала, что они взаимодействуют с протонами ядер атомов линейно. Такой результат однозначно следует из экспериментальной спектроскопии и его достоверность очень легко проверяется, поэтому игнорирование этого научного результата при обучении студентов эквивалентно интеллектуальному насилию над ними.

Новая теория неопровержимо показала ошибочность существующей интерпретации экспериментов Фарадея, Герца, Комптона, Френеля, Юма, Майкельсона – Морли, а также – несостоятельность постулата Бора, формулы Шварцшильда для расчёта радиуса Черной дыры, ограниченность возможностей уравнения Шредингера. Формула А. Эйнштейна для расчета фотоэффекта оказалась эквивалентной математической модели закона формирования спектров атомов и ионов, что сразу выявило ошибочность интерпретации физической сути фотоэффекта.

Пьедестал главного закона материального мира уверенно занял закон сохранения кинетического момента или момента импульса, отражённый в размерности постоянной Планка, которая содержит две константы: скорость света и константу локализации элементарных частиц, которая оказалась единой у фотонов всех частот, у электрона, протона и нейтрона.

Совокупность новых аксиом, постулатов и математических моделей, описывающих микромир, уже представляет собой замкнутую научную систему, которую невозможно разрушить, так как её достоверность защищает главная аксиома естествознания – аксиома Единства пространства, материи и времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенная научная информация невольно ставит вопрос: почему ХХ век не подарил нам академика, способного освободиться из плена ошибочных стереотипных научных представлений, чтобы рассказать нам об актуальных проблемах современной физики, изложенных в этой статье? Потому что, поражающая сила стереотипа научного мышления сильнее научного интеллекта учёного. Она парализует его стремление к поиску причин противоречий, возникающих на пути познания окружающей нас действительности.

infopedia.su

Современная физика

Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики — электродинамики и механики — под эгидой специальной теории относительности. Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве и подорвала одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный “пространственно-временной” континуум. Пространство, как и время, не существует само по себе. Далее, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывали бы разную их последовательность. В таком случае, два события, одновременные для одного наблюдателя, для других произойдут в различной последовательности. В результате, все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер. И время, и пространство — лишь элементы языка, который использует некий наблюдатель для описания наблюдаемых явлений.

Понятия времени и пространства настолько основополагающие, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное последствие этого изменения — осознание того, что масса — одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е=мс^2 в котором с — скорость света.

Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, и понятие “пустого пространства” также теряет смысл.

Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой “зоне средних измерений”, то есть в области нашего обыденного опыта, когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления_о пустом пространстве и о твердых материальных телах, — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение “пустое пространство” утратило смысл в астрофизике и космологии — — науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой — наукой о бесконечно малом.

В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны п другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых “радиоактивных элементов”. Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю — таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире-купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола — такими увидели бы мы ядро и электроны.

Вскоре после появления этой “планетарной” модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона — атома водорода, а также соответствующее число электронов к “оболочке” атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема — и волной, способной перемещаться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их “квантами” и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.

Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, “может существовать”; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, “могут происходить”. Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не “настоящие” трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это “вероятностные волны” — абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

Вторая загадка — невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.

alligater.narod.ru

Проблемы современной физики

Реферат
по физике
на тему:
«Проблемы современной физики»

Начнем с проблемы, которая привлекает сейчас наибольшее внимание физиков, над которой, пожалуй, работает наибольшее количество исследователей и исследовательских лабораторий во всем мире, – это проблема атомного ядра и, в частности, как наиболее актуальная и важная ее часть – так называемая проблема урана.
Удалось установить, что атомы тол состоят 113 сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного некоторым числом электронов. Положительный заряд ядра и отрицательные заряды окружающих его электронов компенсируют друг друга. В целом атом кажется нейтральным.
С 1913 почти до 1930 г. физики изучали самым тщательным образом свойства и внешние проявления той атмосферы электронов, которые окружают атомное ядро. Эти исследования привели к единой цельной теории, обнаружившей новые законы движения электронов в атоме, ранее нам неизвестные. Эта теория получила название квантовой, или волновой, теории материи. К ней мы еще вернемся.
Примерно с 1930 г. основное внимание было направлено на атомное ядро. Ядро нас особенно интересует, потому что в нем сосредоточена почти вся масса атома. А масса есть мера того запаса энергии, которой обладает данная система.
Каждый грамм любого вещества заключает в себе точно известную энергию и притом весьма значительную. Так, например, в стакане чаю, который весит примерно 200 г., заключено количество энергии, для получения которой нужно было бы сжечь около миллиона тонн угля.
Эта энергия находится именно в атомном ядре, потому что 0.999 всей энергии, всей массы тела заключает в себе ядра и только меньше 0.001 всей массы может быть отнесено к энергии электронов. Колоссальные запасы энергии, находящиеся в ядрах, несравнимы ни с какой формой энергии, какую мы знали до сих пор.
Естественно, заманчива надежда обладать этой энергией. Но для этого сначала нужно изучить ее, а затем найти пути для ее использования.
Но, кроме того, ядро интересует нас и по другим причинам. Ядро атома целиком определяет всю природу его, определяет его химические свойства и его индивидуальность.
Если железо отличается от меди, от углерода, от свинца, то различие это лежит именно в атомных ядрах, а не в электронах. Электроны у всех тел одни и те же, и любой атом может потерять часть своих электронов вплоть до того, что могут быть сорваны все электроны с атома. Пока цело и неизменно атомное ядро со своим положительным зарядом, оно всегда притянет к себе столько электронов, сколько необходимо для компенсации его заряда. Если в ядре серебра 47 зарядов, то оно всегда присоединит к себе 47 электронов. Поэтому, пока целю ядро, мы имеем дело с тем же самым элементом, с тем же самым веществом. Стоит изменить ядро, как из одного химического элемента получается другой. Только тогда осуществилась бы давняя и давно уже за безнадежностью оставленная мечта алхимии – превращения одних элементов в другие. На современном этапе истории эта мечта осуществилась, не совсем в тех формах и не теми результатами, которые ожидались алхимиками.
Что мы знаем об атомном ядре? Ядро в свою очередь состоит из еще более мелких составных частей. Эти составные части представляют собой простейшие известные нам в природе ядра.
Самое легкое и потому самое простое ядро – это ядро атома водорода. Водород – первый элемент периодической системы с атомным весом около 1. Ядро водорода входит в состав всех других ядер. Но, с другой стороны, легко видеть, что все ядра не могут состоять только из водородных ядер, как давно, уже более 100 лет назад, предполагал Проут.
Ядра атомов обладают определенной массой, которая дается атомным весом, и определенным зарядом. Заряд ядра задает тот номер, который данный элемент занимает в периодической системе Менделеева.
Водород в этой системе – первый элемент: у пего один положительный заряд и один электрон. Второй по порядку элемент имеет ядро с двойным зарядом, третий – с тройным и т.д. вплоть до самого последнего и самого тяжелого из всех элементов – урана, ядро которого имеет 92 положительных заряда.
Менделеев, систематизируя громадный опытный материал в области химии, создал периодическую систему. Он, конечно, не подозревал в то время о существовании ядер, но не думал, что порядок элементов в созданной им системе определяется просто зарядом ядра и ничем больше. Оказывается, что эти две характеристики атомных ядер – атомный вес и заряд – не соответствуют тому, что мы могли бы ожидать, исходя из гипотезы Проута.
Так, второй элемент – гелий имеет атомный вес 4. Если он состоит из 4 ядер водорода, то и заряд его должен был бы быть 4, а между тем заряд его 2, потому что это второй элемент. Таким образом, нужно думать, что в гелии всего 2 ядра водорода. Ядра водорода мы называем протонами. Но_у кроме того, в ядре гелия есть еще 2 единицы массы, которые заряда не имеют. Вторую составную часть ядра приходится считать незаряженным ядром водорода. Приходится различать ядра водорода, обладающие зарядом, или протоны, и ядра, не обладающие совсем электрическим зарядом, нейтральные, их мы называем нейтронами.
Все ядра состоят из протонов и нейтронов. В гелии 2 протона и 2 нейтрона. В азоте 7 протонов и 7 нейтронов. В кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, в углероде С протонов и 6 нейтронов.
Но дальше эта простота несколько нарушается, число нейтронов становится все больше и больше но сравнению с числом протонов, и в самом последнем элементе – уране имеется 92 заряда, 92 протона, а атомный вес его 238. Следовательно, к 92 протонам прибавлено еще 146 нейтронов.
Конечно, нельзя думать, что то, что мы знаем в 1940 г., есть уже исчерпывающее отображение реального мира и многообразие заканчивается на этих частицах, которые являются элементарными в буквальном смысле слова. Понятие элементарности означает только определенный этап в нашем проникновении в глубь природы. На данном этапе мы знаем, однако, состав атома лишь вплоть до этих элементов.
Эта простая картина па самом деле была выяснена не так легко. Пришлось преодолеть целый ряд затруднений, целый ряд противоречий, которые и момент своего выявления казались безвыходными, но которые, как всегда в истории науки, оказались только различными сторонами более общей картины, представлявшей собою синтез того, что казалось противоречием, и мы переходили к следующему, более глубокому пониманию проблемы.
Важнейшим из этих затруднений оказалось следующее: в самом начале нашего столетия было уже известно, что из недр радиоактивных атомов (о ядре тогда еще не подозревали) вылетают б-частицы (они оказались ядрами гелия) и в-частицы (электроны). Казалось, то, что вылетает из атома, это и есть то, из чего он состоит. Следовательно, казалось, ядра атомов состоят из ядер гелия и электронов.
Ошибочность первой части этого утверждения ясна: очевидно, что невозможно составить ядро водорода из вчетверо более тяжелых ядер гелия: часть не может быть больше целого.
Оказалась неверной и вторая часть этого утверждения. Электроны действительно вылетают при ядерных процессах, и тем не менее электронов в ядрах нет. Казалось бы, здесь – логическое противоречие. Так ли это?
Мы знаем, что атомы испускают свет, световые кванты (фотоны).
Что же эти фотоны запасены в атоме в виде света и ждут момента для вылета? Очевидно, нет. Мы понимаем испускание света таким образом, что электрические заряды в атоме, переходя из одного состояния в другое, освобождают некоторое количество энергии, которая переходит в форму лучистой энергии, распространяющейся в пространстве.
Аналогичные соображения можно высказать и относительно электрона. Электрон по целому ряду соображений не может находиться в атомном ядре. Но он не может и создаваться в ядре, как фотон, потому что обладает отрицательным электрическим зарядом. Твердо установлено, что электрический заряд так же, как и энергия и материя в целом, остается неизменным; общее количество электричества нигде не создается и нигде не исчезает. Следовательно, если уносится отрицательный заряд, то ядро получает равный ему положительный заряд. Процесс испускания электронов сопровождается изменением заряда ядра. Но ядро состоит из протопоп и нейтронов, значит, один из незаряженные нейтронов превратился в положительно заряженный протон.
Отдельный отрицательный электрон не может ни возникнуть, ни исчезнуть. Но два противоположных заряда могут при достаточном сближении взаимно скомпенсировать друг друга или даже совсем исчезнуть, выделив свой запас энергии в виде лучистой энергии (фотонов).
Какие же это положительные заряды? Удалось установить, что, кроме отрицательных электронов, в природе наблюдаются и могут быть созданы средствами лабораторий и техники положительные заряды, которые по всем своим свойствам: по массе, по величине заряда вполне соответствуют электронам, но только имеют положительный заряд. Такой заряд мы называем позитроном.
Таким образом, мы различаем электроны (отрицательные) и позитроны (положительные), отличающиеся только противоположным знаком заряда. Вблизи ядер могут происходить как процессы соединения позитронов с электронами, так и расщепления на электрон и позитрон, причем электрон уходит из атома, а позитрон входит в ядро, превращая нейтрон в протон. Одновременно с электроном уходит и незаряженная частица – нейтрино.
Наблюдаются и такие процессы в ядре, при которых электрон передает свой заряд ядру, превращая протон в нейтрон, а позитрон вылетает из атома. Когда из атома вылетает электрон, заряд ядра увеличивается на единицу; когда вылетает позитрон или протон, заряд и номер в периодической системе уменьшается на одну единицу.
Все ядра построены из заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Спрашивается, какими силами они сдерживаются в атомном ядре, что их связывает между собой, что определяет построение различных атомных ядер из этих элементов?
Аналогичный вопрос о связи ядра с электронами в атоме получил простой ответ. Положительный заряд ядра притягивает к себе отрицательные электроны по основным законам электричества так же, как Солнце силами тяготения притягивает к себе Землю и другие планеты. Но в атомном ядре ведь одна из составных частей нейтральна. Чем же она связывается с положительно заряженным протоном и другими нейтронами? Опыты показали, что силы, связывающие между собой два нейтрона, примерно такие же по величине, как и силы, связывающие между собой нейтрон с протоном и даже 2 протона между собой. Это не силы тяготения, не электрические или магнитные взаимодействия, а силы особого характера, которые вытекают из квантовой, или волновой, механики.
Один из советских ученых, И.Е. ‘Гамм высказал гипотезу, что связь между нейтроном и протоном обеспечивается электрическими зарядами – электронами и позитронами. Испускание и поглощение их действительно должно дать некоторые силы связи между протоном и нейтроном. Но, как показали вычислении, эти силы во много раз слабее, чем те, которые па самом деле существуют в ядре и обеспечивают его прочность.
Тогда японский физик Юкава попробовал поставить задачу таким образом: раз взаимодействие при посредстве электронов и позитронов недостаточно, чтобы объяснить ядерные силы, то каковы же частицы, которые обеспечили бы достаточные силы? И он вычислил, что если бы в ядре встречались отрицательные и положительные частицы с массой в 200 раз большей, чем позитрон р электрон, то эти частицы обеспечили бы правильную ре-личину сил взаимодействия.
Спустя немного времени эти частицы были обнаружены в космических лучах, которые, приходя из мировою пространства, пронизывают атмосферу и наблюдаются и на земной поверхности, и па высотах Эльбруса, и даже под землей на достаточно большой глубине. Оказывается, что космические лучи, входя в атмосферу, создают заряженные отрицательно и положительно частицы, с массой примерно в 200 раз большей, чем масса электрона. Эти частицы в то же время в 10 раз легче, чем протон и нейтрон (которые примерно в 2000 раз тяжелее, чем электрон). Таким образом, это – какие-то частицы «среднего» веса. Они поэтому были названы мезотронами, или, для краткости, мезонами. Их существование в составе космических лучей в земной атмосфере сейчас не вызывает сомнения.
Тот же И.Е. Тамм в последнее время изучал законы движения мезонов. Оказывается, они обладают своеобразными свойствами, во многих отношениях не похожими на свойства электронов и позитронов. На основании теории мезонов он вместе с Л.Д. Ландау создал чрезвычайно интересную теорию образования нейтронов и протонов.
Тамм и Ландау представляют себе, что нейтрон есть протон, соединенный с отрицательным мезоном. Положительно заряженный протон с отрицательным электроном образуют атом водорода, хорошо нам известный. Но если вместо отрицательного электрона имеется отрицательный мезон, частица в 200 раз более тяжелая, с особыми свойствами, то такая комбинация занимает гораздо меньше места и по всем своим свойствам близко совпадает с тем, что мы знаем о нейтроне.
Согласно этой гипотезе, считается, что нейтрон – это протон, соединенный с отрицательным мезоном, и, наоборот, протон – это нейтрон, соединенный с положительным мезоном.
Таким образом, «элементарные» частицы – протоны и нейтроны – на наших глазах начинают снова расслаиваться и обнаруживать свою сложную структуру.
Но, пожалуй, еще более интересно, что такая теория вновь возвращает нас к электрической теории материн, нарушенной появлением нейтронов. Теперь снова можно утверждать, что все элементы атома и его ядра, которые нам до сих пор известны, имеют, в сущности, электрическое происхождение.
Однако не надо думать, что в ядре мы имеем дело просто с повторением свойств того же атома.
Переходя от опыта, накопленного в астрономии и механике, к масштабам атома, к 100-миллионным долям сантиметра, мы попадаем в новый мир, где проявляются неизвестные ранее новые физические свойства атомной физики. Эти свойства объясняются квантовой механикой.
Совершенно естественно ожидать, и, по-видимому, опыт уже нам это показывает, что когда мы переходим к следующему этапу, к атомному ядру, а атомное ядро еще в 100 тысяч раз меньше, чем атом, то здесь мы обнаруживаем еще новые, специфические законы ядерных процессов, не проявляющиеся заметным образом ни в атоме, ни в больших телах.
Та квантовая механика, которая прекрасно описывает нам все свойства атомных систем, оказывается недостаточной и должна быть дополнена и исправлена в соответствии с явлениями, которые обнаруживаются в атомном ядре.
Каждый такой количественный этап сопровождается Проявлением качественно новых свойств. Силы, связывающие протон и нейтрон с мезоном, – это не силы электростатического притяжения но законам Кулона, которые связывают ядро водорода с его электроном, это силы более сложного характера, описываемые теорией Тамма.
Так представляется нам сейчас строение атомного ядра. Супруги Пьер и Мария Кюри в 1899 й·. открыли радий и изучили его свойства. Но путь наблюдения, неизбежный па первой стадии, поскольку мы не имели другого, – путь чрезвычайно малоэффективный для развития науки.
Быстрое развитие обеспечивается возможностью активного воздействия на изучаемый объект. Мы стали узнавать атомное ядро тогда, когда мы научились активно егo видоизменять. Это удалое й. примерно 20 лет назад знаменитому английскому физику Резерфорду.
Давно было известно, что при встрече двух атомных ядер можно было ожидать воздействия ядер друг на друга. Но как осуществить такую встречу? Ведь ядра заряжены положительно. При приближении друг к другу они отталкиваются, размеры их настолько малы, что силы отталкивания достигают громадной величины. Нужна атомная энергия, чтобы, преодолев эти силы, заставить одно ядро встретиться с другим. Чтобы накопить такую энергию, нужно было заставить ядра пройти разность потенциалов порядка 1 млн. В. И вот, когда в 1930 г. получили пустотные трубки, в которых удалось создавать разности потенциалов больше 0.5 млн. В, они сейчас же были применены для воздействия на атомные ядра.
Надо сказать, что такие трубки были получены вовсе не физикой атомного ядра, а электротехникой в связи с задачей передачи энергии на большие расстояния.
Давней мечтой электротехники высоких напряжений является переход с переменного тока на постоянный. Для этого нужно уметь превращать высоковольтные переменные токи в постоянные и наоборот.
Вот для этой-то цели, еще и сейчас недостигнутой, и были созданы трубки, в которых ядра водорода проходили свыше 0.5 млн. В и получали большую кинетическую энергию. Это техническое достижение сейчас же было использовано, и в Кембридже была поставлена попытка направить эти быстрые частицы в ядра различных атомов.

coolreferat.com

Современная физика, Глава 4. Новая физика. Дао физики. Капра Ф. Страница 8. Читать онлайн

Современная физика.

Современная физика

Проблемы современной физики

Нерешённые проблемы современной физики – это… Что такое Нерешённые проблемы современной физики?

Теоретические проблемы

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Ядерная физика

Другие проблемы

Эмпирические явления без чёткого научного объяснения

Космология и астрономия

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Астрономия и астрофизика

Физика конденсированного состояния

Биофизика

Проблемы, решённые за последние десятилетия

Примечания

Ссылки

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ

Современная физика

Проблемы современной физики

Оставить комментарий Отменить ответ