Квантово-полевая и современная научные картины мира

Лекция № 4
КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ И СОВРЕМЕННАЯ
НАУЧНЫЕ КАРТИНЫ МИРА
Квантово-полевая НКМ (начало XX в.) сформировалась на основе
квантовой гипотезы М. Планка, волновой механики Э. Шредингера,
квантовой механики В. Гейзенберга, квантовой теории атома Н. Бора и др.
Модели строения атома Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Н. Бора. Недостатки
моделей. Современная квантово-механическая модель строения атома
Э.Шредингера, Л. де Бройля, В.Гейзенберга, Н.Бора. Четыре уровня
микромира:
молекулярный,
атомный,
нуклонный
и
кварковый.
Предполагаемое наличие пятого уровня. Атом – мельчайшая частица
химического элемента, носитель его свойств. Ядро атома образовано
нуклонами
–
количеством
протонами
протонов,
и
нейтронами.
число
которых
Заряд
равно
атома
числу
определяется
электронов.
Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электронов
достаточно велика, называется орбиталью. Положение электрона в атоме
описывается четырьмя квантовыми числами.
Корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) частиц микромира.
Открытие М.Планком дискретности волнового процесса. Неотделимость
частиц от создаваемых ими полей. Открытие Луи де Бройлем корпускулярноволнового дуализма для любого вида материи. Явление фотоэффекта как
доказательство
корпускулярной
природы
микрочастиц,
дифракция
электронов как доказательство волновой природы частиц. Неразрывная связь
частиц и полей – единство прерывности и непрерывности в структуре
материи.
Соотношения
неопределенностией
(В.Гейзенберга),
отражающие
двойственность корпускулярно-волновой природы частиц: координатаимпульс (скорость) и энергия-время.
Принцип дополнительности Н.Бора: невозможны невозмущающие
измерения, т.е. измерение одной величины делает невозможным или
неточным измерение другой, дополнительной к ней величины. Полное
понимание природы микрообъекта требует учета как его корпускулярных,
так и волновых свойств, хотя они не могут проявляться в одном и том же
эксперименте. Принцип дополнительности как результат философского
осмысления квантовой теории. На макроуровне – это один из основных
законов диалектики – закон единства противоположностей. Для полного
понимания любого предмета или процесса необходимы несовместимые, но
взаимодополняющие точки зрения на него.
Соответствие квантовой и классической механики: их предсказания
совпадают для макроскопических объектов, для которых несущественны
соотношения
неопределенностей
и
корпускулярно-волновой
дуализм.
Классическая физика, физика макромира – частный, предельный случай
физики микромира (принцип соответствия).
Элементарные частицы. Общее число открытых частиц и античастиц
– около 400. По современным данным физики у каждой частицы есть
античастица. Частицы пары обладают одинаковой массой, размером,
временем жизни, спином, но различаются знаками всех зарядов и
некоторыми динамическими характеристиками типа магнитного момента.
Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами, т.е.
не имеют античастиц. К ним относят фотон.
Классификация
элементарных
частиц
производится
по
типам
фундаментальных воздействий, в которых они участвуют. В зависимости от
участия во взаимодействиях элементарные частицы делят на две большие
группы: лептоны и адроны. Адроны участвуют во всех взаимодействиях и, в
том числе, только они участвуют в сильном. Лептоны не участвуют в
сильном взаимодействии.
Деление частиц по массе на 4 группы. Адроны делятся на два класса:
барионы – тяжелые (протоны, нейтроны, гипероны) и мезоны – средние по
массе. Лептоны являются легкими частицами (электрон, нейтрино), а фотоны
и гравитоны – с нулевой массой покоя.
Деление частиц по времени существования на 3 группы. Стабильные
частицы: фотон, электрон, протон, нейтрино; нестабильные – свободный
нейтрон. Остальные частицы являются нестабильными короткоживущими,
т.к. самопроизвольно распадаются за счёт сильного взаимодействия
(резонансы).
Деление частиц по спину (собственный момент импульса) на 2 группы:
бозоны – с целочисленным спином 0, 1, 2 (фотоны, гравитоны, мезоны) и
фермионы – с полуцелым спином ½ (лептоны, барионы и кварки).
Структурные субъединицы адронов – барионов и мезонов – это кварки.
Принципиальное
свойство
вещества
на
этом
уровне
микромира
–
невозможность существования кварков вне адронов. Дробный заряд кварков.
Антикварки. Барионы состоят из трех кварков, мезоны – из двух.
Согласно современной НКМ, фундаментальные частицы – это
частицы, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (лептоны
и кварки). Бозонная природа частиц-переносчиков фундаментальных
взаимодействий. Вещество как совокупность устойчивых фермионных
структур (кварки – нуклоны – атомные ядра – атомы с их электронными
оболочками).
В современной НКМ рассматривают 3 формы материи: вещество,
физическое поле и физический вакуум. Понятие физического вакуума.
Вакуум как особое состояние материи, низшее энергетическое состояние
поля, в котором среднее число частиц равно нулю. Вакуум – сложная
система, может находиться в разных состояниях, способен изменяться при
изменении условий. Рождение в вакууме виртуальных частиц. Вакуум
содержит в себе возможность существования всех форм частиц. Рождение
элементарных частиц при взаимодействии вакуума с веществом. Фазовые
переходы вакуума и образование частиц и энергии. Вакуум – живая пустота,
в пульсации которой берут начало бесконечные ритмы рождений и
разрушений. Применение в промышленности технического вакуума.
Процессы в микромире. Характерная особенность элементарных частиц
– универсальная взаимопревращаемость частиц, либо самопроизвольно, или
в процессе столкновения; аннигиляция частицы и античастицы. Возможность
любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения
(энергии, заряда и т.д.).
Радиоактивность
–
способность
некоторых
атомных
ядер
самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных
видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают
радиоактивность естественную для существующих в природе неустойчивых
изотопов, и искусственную – для изотопов, полученных посредством
ядерных реакций. Известны три основных вида радиоактивного излучения:
альфа- (поток ядер гелия), бета- (поток электронов или позитронов), гаммаизлучение (самое коротковолновое электромагнитное излучение). Спонтанное
деление тяжёлых ядер.
Цепная реакция деления ядер – реакция деления тяжелого атомного
ядра под действием нейтронов на более легкие атомные ядра с испусканием
вторичных нейтронов. Управляемые реакции деления осуществляются в
ядерных реакторах АЭС, неуправляемые – при взрыве атомной бомбы.
Термоядерный синтез – реакция образования из легких атомных ядер
более тяжелых, происходящая при сверхвысоких температуре и давлении с
выделением колоссального количества энергии. Неуправляемая реакция
синтеза происходит при взрыве водородной бомбы; трудность практической
реализации управляемой реакции. Естественные термоядерные реакторы –
звёзды.
По
современным
представлениям
существуют
следующие
фундаментальные взаимодействия в материальном мире: гравитационное
(мега- и макромиры), электромагнитное (микро- и макромиры), сильное или
ядерное и слабое (микромир). Частицы-переносчики взаимодействий –
гравитоны, фотоны, глюоны, векторные бозоны.
Современная, эволюционная НКМ (вторая половина XX в. – XXI в.)
отражает
появление
междисциплинарных
подходов
и
технические
возможности описания состояний и движений сложных систем, позволившие
рассматривать единообразно явления живой и неживой природы. В
современной
НКМ
наблюдается
теснейшая
связь
между
всеми
естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый
пространственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны,
волновое и корпускулярное движения объединяются, характеризуя один и
тот же объект, вещество и поле взаимопревращаются. Наиболее характерной
чертой
современной
НКМ
является
ее
эволюционность.
Принцип
самоорганизации позволил изучать процессы возникновения и формирования
новых, более сложно организованных систем. В современной НКМ
естественно-научное
знание
неразрывно
связано
с
гуманитарным.
Представления о пространстве и времени, строении Вселенной, эволюции и
самоорганизации материи, лежащие в основе современной НКМ будут
рассмотрены в следующих темах.